Il semblerait que dans l'antiquité, un parthénon (temple à la Vierge) était situé au Nord-Est de Vaux. C'est à son emplacement que sera élevée la chapelle.
Les deux cimetières à proximité de la chapelle ont été aménagés à partir de 1863 (pour celui du nord) et à partir de 1898 (pour celui du sud).
Le curé Grumet de Vaux-en-Bugey rapporte dans son registre paroissial, un évènement « miraculeux » survenu le 7 avril 1760 à Montferrand, hameau de Torcieu : le fils de Joseph Rigolet et Simone Billon Bontems, mort né est enterré près de la chapelle de Nièvre. Le soir de son enterrement Étienne Prévôt pense entendre une voix issue du sol. Le jour de Pâques (deux jours après), Benoît Duport entend également le même type de son. La population décide alors d'exhumer l'enfant. Le curé Grumet écrit :
"Plus de cent personnes virent qu'il ouvrit l'œil gauche, le tint ouvert près un quart d'heure et le referma. Il remua les doigts de la main droite. On vit encore couler abondamment des gouttes de sueur de son visage."
Ce miracle est l'un d'une longue série qui a contribué à faire de la chapelle un lieu de pèlerinages à tel point qu'avant sa rénovation, en 1955, la chapelle est envahie de centaines d'ex-voto.