Le martyre de saint Maurice et de ses compagnons de la légion Thébaine a eu lieu ici-même, à Vérolliez, vers l’an 300. Selon la tradition locale, l’exécution se serait faite sur la grande dalle de pierre conservée sur son baldaquin à l’intérieur de cette chapelle.
La première mention écrite de la vénération du lieu du martyre se trouve dans l’Acte de fondation de l’Abbaye (en 515), rédigé ultérieurement vers l’an 800. Ce document aurait été établi in virorum fletu, soit dans un emplacement proche de l’Abbaye, dont le nom se traduit par "les pleurs des hommes" : le lieu où l’on déplorait la mort des martyrs. In virorum fletu est devenu au Moyen Age Viroleto, c’est-à-dire Vérolliez. Par contre, l’étymologie populaire voit en Vérolliez "le vrai lieu" du martyre.
La forte symbolique religieuse attachée à l’endroit explique que l’on y ait maintenu une chapelle en dépit du danger permanent d’inondation. Le lieu a probablement d’abord été marqué par la fameuse "pierre du martyre", mais on ne peut exclure la présence d’autres aménagements, une clôture par exemple.
Les fouilles archéologiques ont révélé l’existence d’une première construction antérieure à l’an mil, probablement de l’époque carolingienne. Ce premier édifice connu, orienté comme ceux qui lui ont succédé, a probablement été détruit par une crue d’un des deux torrents voisins, le Saint-Barthélemy ou le Mauvoisin.
On connaît mieux la chapelle consacrée en 1290. La nef, de plan rectangulaire simple et à toit probablement plat, ouvrait par une marche sur le chœur voûté en berceau. L’autel, élevé juste en avant de la paroi orientale, était muni d’une niche dans sa face postérieure, servant peut-être à la conservation des reliques. Certaines parties de l’église étaient peintes.
Au XIVe siècle, une division a été introduite entre la nef et le chœur sous la forme d’un chancel. On a construit alors au nord une annexe à deux locaux qui semble avoir servi d’infirmerie. Les malades pouvaient voir dans l’église par une fenêtre placée en dessous d’une sorte de baldaquin sur lequel était placée la pierre dont on attendait qu’elle guérît les malades. On construisit encore sur le côté sud de l’église une annexe servant à la cuisine et à l’accueil des pèlerins.
Au XVIIe siècle, on procéda à quelques aménagements mineurs à l’intérieur de l’église. Le baldaquin supportant la pierre miraculeuse a été refait et, en 1662, on créa le portail qui existe toujours.
La chapelle actuelle a été consacrée le 9 mai 1746. Elle rassemble en une unité architecturale tous les éléments peu à peu agrégés à la chapelle précédente. Le sanctuaire prit un aspect plus compact ; une seule toiture à six pans couvrait l’ensemble. La chapelle se compose donc d’un sanctuaire voûté de plan carré, d’un narthex ouvert des côtés ouest et nord, et au sud-ouest, d’une annexe divisée en deux pièces servant peut-être de cuisine et d’infirmerie.
Un autel massif en maçonnerie était appuyé contre le mur est de l’église, il fut surmonté d’un décor baroque réalisé par le sculpteur Jean Bozzo. Dans l’angle sud-ouest se trouve le baldaquin monumental de style classique abritant derrière son tympan la "pierre des martyrs". Un escalier permet d’accéder, à l’étage, à un grand local qui a pu servir de dortoir.
Au XIXe siècle, on réalisa quelques transformations, sans doute dans le contexte de l’installation dès 1856 de l’orphelinat de la Congrégation des Sœurs de Saint-Maurice. Le sanctuaire a été agrandi par l’incorporation d’une partie du narthex ; l’infirmerie a été transformée en sacristie ; par la création d’une grande ouverture en plein cintre entre le sanctuaire et le dortoir à l’étage, ce dernier a été transformé en galerie.
En 1911-1912, le prieur Pierre Bourban a recréé un dortoir au deuxième étage, au-dessus de la galerie ; il a encore réaménagé la sacristie en supprimant la cheminée qui s’y trouvait, et construit au nord de la chapelle une cave à charbon qui sort légèrement de terre, formant ainsi un podium pour un autel placé en plein air, à l’intention des pèlerins.
La dernière restauration, qui date de 1982, est l’œuvre de l’architecte Jean-Michel Rouiller.
A noter la mise en valeur du nouvel autel, peint en rouge-sang. Sa face antérieure porte une inscription tirée de la Passion des martyrs d'Agaune par saint Eucher, évêque de Lyon en 430 : "Nous sommes tes soldats, ô empereur, mais avant tout serviteurs de Dieu. Nous te devons l'obéissance militaire, nous lui devons l'innocence".
Tout près de la chapelle se dresse, depuis 1900, une énorme bâtisse à caractère social, construit par les Soeurs de saint Maurice, communauté fondée par le chanoine Maurice-Eugène Gard en 1863. Abandonnée pendant une trentaine d'années, cette bâtisse a été restaurée et est devenue depuis 1997 une Maison de la famille.