En 1202, deux frères, seigneurs de Rennemoulin, font bâtir une chapelle au titre de Saint-Nicolas.
Confiée à l’ordre des Prémontrés, elle devient église paroissiale au XVIe siècle.
Elle est ensuite englobée en 1707 dans le Grand Parc de Versailles, avant d’être fermée en 1793, son mobilier étant alors vendu. En 1810 elle est adjugée aux frères Trabuchi qui l’utilisent comme bâtiment agricole.
Elle est rachetée comme grange avec les terres environnantes en 1919 par l’Institut Pasteur. En 2008 un projet de sauvetage est mis en place avec la participation de l’ARP N-R-B. Les travaux sont lancés en 2013 et achevés en septembre 2015. La commune de Rennemoulin en devient propriétaire en 2017.