Ce sanctuaire fut construit en 1653, à la suite d'un voeu des bourgeois de Porrentruy lors de la Guerre de Trente Ans. En 1634, à l'approche des Suédois, les religieuses de la congrégation des Annonciades portèrent une statue de la Vierge, le visage tourné vers l'ennemi, dans une salle haute de leur couvent et passèrent la nuit en prières. Le lendemain, un brouillard recouvrait la ville et l'armée suédoise s'arrêta à l'endroit où est élevée la chapelle.
Agrandie en 1721, la chapelle a été rénovée à plusieurs reprises, notamment en 1817/18, suite aux profanations de la période révolutionnaire, et après l'effondrement de la voûte en 1935. Elle a fait l'objet d'une restauration d'ensemble en 2015 et a reçu en 2016 un autel du XVIIIème siècle provenant de l'ancien couvent des Annonciades. La chapelle de Notre-Dame de Lorette est un lieu de pèlerinage des paroisses d'Ajoie et du Clos du Doubs qui s'y rendent en procession à l'Assomption le 15 août.