Cette chapelle, détruite en 1970, était placée sous le vocable de Saint-Mainbœuf ou Maimbeuf (v. 574-v. 655/660), évêque d'Angers (dès 608/610) qui fut populaire en son temps. Plusieurs églises d'Anjou possédaient le même vocable (église à Angers, chapelle à Baugé), mais la chapelle de Fontevraud-l'Abbaye fut la dernière à subsister.

Reconstruite à neuf peu avant 149, elle succédait à un édifice antérieur, déjà désignée comme chapelle Saint-Mainbœuf, dont la date d'origine comme les circonstances de fondation ne sont pas connues. Certains auteurs ont proposé qu'il pût s'agir d'une fondation liée à un ancien fief du chapitre Saint-Mainbœuf d'Angers.

Les sources ne permettent pas de savoir si elle préexistait à l'arrivée de Robert d'Arbrissel sur le site de ce qui allait devenir Fontevraud, même si plusieurs éléments semblent aller dans le sens de cette hypothèse. En effet, le vocable d'un saint angevin du Haut Moyen Âge pourrait indiquer la présence d'un lieu précocement associé à Mainboeuf, dès la fin du VIIe ou au VIIIe siècle, sans toutefois qu'on ait l'assurance qu'il s'agisse dès l'origine d'une chapelle. Par ailleurs, on note, avant la fin du XVIIIe siècle, la quasi-absence de tout autre bâtiment entre les bâtiments de l'enceinte abbatiale et l'écart des Roches, conformément aux volontés initiales de limiter les constructions aux abords de l'abbaye : la présence de cette seule chapelle et de la maison qui y est associée pourrait renforcer l'hypothèse qu'elle préexistait aux interdits pontificaux du XIIe siècle et de la préservation des espaces proches qui en résulta.

La chapelle est intégralement réédifiée peu avant 1491 par le prieur fontevriste Jean Raboteau qui l'administrait. Plusieurs documents montrent qu'à la fin du XVe et au début du XVIe siècle, la chapelle ainsi est placée sous le gouvernement d'un frère de Saint-Jean-de-l'Habit ou d'autres prieurés fontevristes.

On trouve mention d'une visite en vue de réparations à faire à la chapelle en 1572 : peut-être eut-elle à souffrir du passage des troupes protestantes à aux abords de Fontevraud, puisqu'en 1568 celles-ci approchèrent l'abbaye au moins jusqu'aux Roches, avant de rejoindre Loudun et le Poitou par les Ormeaux. C'est peut-être du fait de cet état dégradé que la chapelle soit mentionnée comme étant baillée à ferme par l'abbaye en 1580.

Dans les documents des XVIIe et XVIIIe siècles, elle est arrentée au sein d'un ensemble qui comprend principalement la maison qui est située une trentaine de mètres au sud (encore en place, au 54, rue Saint-Mainbœuf), laquelle comprend des éléments du XVe siècle encore en élévation. Il est probable que l'association de cette maison et de la chapelle soit plus ancienne puisque le prieur Jean Raboteau, qui fait reconstruire la chapelle sans doute dans le dernier quart du XVe siècle, associe la chapelle à "une maison et appartenances estans le long du chemin" dans la rente qu'il fonde au profit de l'abbaye en 1491.

Dans les baux à rente des XVIIe et XVIIIe siècles, il est spécifié, toutefois, que seule la salle haute de la chapelle est arrentée, l'abbesse se réservant l'usage exclusif de la salle basse avec un accès depuis la rue. De même, afin de préserver la décence des lieux, l'usage de la salle haute de la chapelle est limité : en 1689, les tenanciers la tiennent "sans pouvoir retirer sur le dessus de ladite chapelle aucun animaux, mais seulement pouront y mettre des bleds, foins, pailles, fagots et autres choses de cette nature". La salle haute de la chapelle reste arrentée jusqu'à la Révolution française, où l'ensemble du bâtiment devient définitivement une habitation privée. La petite maison en appentis à immédiate proximité de l'angle sud-ouest de la chapelle est construite dans le second quart du XIXe siècle (vers 1842 ?). Inscrite sur la liste supplémentaire des Monuments historiques par arrêté du 16 décembre 1969, la chapelle est toutefois en partie ruinée à la suite de fortes pluies, le 4 mai 1970 au matin. Les travaux de reconstruction sont jugés trop considérables pour être envisagés et l'administration décide de raser l'édifice.