En 1845, il est question de l'ancienne église qui "tombe en ruine" et "serait d'ailleurs beaucoup trop petite pour contenir les fidèles, la population de Velars se trouvant notablement augmentée par le développement que nous avons donné à nos usines" (lettre adressée au préfet de Côte-d'Or par la société Thoureau et Cie "société de hauts fourneaux et forges de la Côte-d'Or"). Mais comme l'édifice réclame des réparations trop importantes, il est finalement décidé de le reconstruire en totalité. Les travaux sont adjugés le 17 juillet 1858 aux entrepreneurs Lagnet (de Saint-Seine), Labourez (de Malain) et Seguenot d'après le projet et les plans dressés le 6 janvier par M. Caillot, architecte à Dijon. Le conseil municipal avait approuvé ces derniers dans sa délibération du 7 février. Les travaux étaient reçus à titre provisoire par Caillot le 16 juin 1862 et à titre définitif le 4 janvier 1864. La reconstruction de cette église, estimée à près de 40 000 frs, mais d'un coût total définitif de plus de 52 600 frs (à cause de problèmes rencontrés lors des fondations, le sous-sol étant trop humide), a été financée par une souscription (qui a recueilli près de 15 500 frs) et par la municipalité (Archives départementales de la Côte-d'Or, II O 661/9) (voir également Marcel Perrin, Velars-sur-Ouche : passé et présent de la commune, [Velars-sur-Ouche] Perrin [1994], p. 47-51). L'église abrite depuis 1862 la statue miraculeuse de la Vierge trouvée sur le site de Notre-Dame-de-l'Etang.