La présence d'une source dite miraculeuse sous le choeur actuel évoque une construction sur un ancien site païen. En 586, le roi Gontran donne, en guise de seigneurie, Fleurey et ses dépendances à l'abbaye Saint-Marcel de Chalon. Dès 980, le comte Geoffroy de Chalon place l'abbaye sous l'autorité de celle de Cluny, qui prend le statut de Grand Prieuré. Les caractères de la nef et du transept indiquent qu'ils furent construits entre la fin du 10e siècle et le début du 11e siècle. Une simple abside devait former le choeur de l'église primitive. Le choeur actuel, à chevet plat, a sans doute été construit au début du 13e siècle, en remplacement de l'abside, afin d'agrandir le sanctuaire. Autour du prieuré furent installés les habitations de ceux qui travaillaient pour le compte des religieux, ainsi que la halle et le four banal. A la Révolution, le clos dans lequel se trouve le prieuré est vendu comme bien national. En 1895, Paul Henri Emile Jobard, propriétaire du château du Prieuré, rachète le choeur de l'église, tandis que la nef et le transept sont reconvertis en logements (Fleurey-sur-Ouche, Histoire et Patrimoine, Edition HIPAF, 2007).