Aquesta església es localitza a l’entrada del despoblat recent de Nocelles, a 1 033 m d’altitud, a la dreta de la riera de Vacamorta, aigua amunt de Terrassa i sota el poble de Merli. En un primer moment l’església de Nocelles estigué relacionada amb el monestir d’Ovarra, on va anar a parar per motius que desconeixem. La casa o petit priorat de Nocelles ja existia abans de l’any 981, ja que aleshores Eso confirmà a Santa Maria d’Ovarra i de Nocelles els delmes de la coma Domna i els altres donatius fets pels seus parents i, a més a més, pel remei de la seva ànima, concedí una vinya que tenia a Nocelles, a sobre de Trillares, i un camp a Toto Arciso. Després de les incursions musulmanes del començament del segle XI, l’abat Galí i els monjos d’Ovarra procuraren la restauració de l’església de Nocelles, i així invitaren el bisbe Borrell per tal de consagrar-la en honor de la Mare de Déu, el qual, tot seguit, convidà el clergat i devotíssim poble, nobles i francs, a proveir la casa de Nocelles amb les seves heretats i oblacions (1023). Santa Maria d’Ovarra aportà els béns més indispensables, una terra a Esdolomada, una vinya a Erdao, ornaments i llibres litúrgics, mentre que els senyors de Lierp encapçalaren la llista dels donants. En total Santa Maria de Nocelles acaptà un cens a Lierp, alous i delmes al Solà, Bangil, Alsamora, Trillares i Nocelles, i les esglésies de Sant Martí de Vilanova, Sant Sadurní del Solà i Sant Miquel de Castellar, amb les corresponents rendes parroquials i possessions; tot fou confirmat pel bisbe Borrell.
Amb l’annexió del monestir d’Ovarra a Sant Victorià del Sobrarb, l’església de Nocelles passà a dependre d’aquesta abadia. El temple de Nocelles, amb les propietats a la vall homònima, constituïa ja el 1212 un priorat autònom. El 1295 fou traspassada a Sant Vicenç de Roda en canvi de l’església de Campo, juntament amb Torrueco, Castellar i Alsamora, de manera que des d’aleshores i fins a la desamortització del segle XIX va pertànyer al priorat de Roda. En principi les seves rendes foren assignades al càrrec de prior, però a partir de l’edat moderna passà a la mensa capitular, dependent del priorat de Merli. El capítol hi nomenava un vicari.