Des vestiges témoignent d'un bâti ancien complexe. Les plus récentes recherches archéologiques invitent à dater l'église actuelle de la fin du XIIe s. et du début du XIIIe s., en soulignent sa typicité... cistercienne. Un petit oratoire fut probablement édifié sur la tombe de saint Marcel, fondateur de la foi chrétienne en Bourgogne, à qui l'église est dédiée. Gontran, roi de Bourgogne (+ 593), petit-fils de Clovis, choisit le lieu pour sa sépulture ; il fonda un monastère et fit embellir une "magnifique" basilique. Possession des évêques puis des comtes de Chalon, l'abbaye devint à la fin du Xe siècle l'un des prieurés de l'abbaye de Cluny (fondée en 910), et conserva ce statut jusqu'à la Révolution française.

L'église paroissiale Saint-Paul de Saint-Marcelin-de-Cray est un bâtiment de l'époque romane édifié vers le milieu du XIIe siècle. Le décor de bandes lombardes du clocher est alors déjà un peu archaïque. La nef de trois travées, voûtée en berceau brisé, précède une travée de chœur plus basse, sur laquelle le clocher a été établi, et une abside voûtée en cul-de-four. On a découvert des peintures murales gothiques lors de travaux en 1982 dans l'abside. Elles ont depuis lors été restaurées. Le décor de faux appareil et de fleurettes, ainsi que le motif en damier, outre les personnages figurés (les apôtres), font penser à une réalisation de la fin du XIIIe ou du début du XIVe siècle. Cette église romane offre une très belle unité architecturale. Elle mérite vraiment de s'écarter des axes principaux pour une visite particulière.