Depuis un temps immémorial, la vigne couvre la majeure partie des côteaux de la région de Voiteur, dont les vins de haute qualité étaient connus et appréciés des Romains (d'après Pline le Jeune et Martial) au point qu'un édit de l'empereur Probus, en l'an 280, ordonnat que l'on plantât beaucoup de vignes sur les collines favorables de Séquanie (ancienne Franche-Comté).
L'histoire du vignoble et du vin de Château-Chalon, appelé autrefois vin de gelée ou vin de garde, est indissociable de celle de l'abbaye. L'acte le plus ancien relatif à l'abbaye est un diplôme du roi Lothaire en l'an 869. Les abbesses devaient prouver 16 quartiers de noblesse pour être admises et celà explique le rayonnement qu'eut le vin de Château-Chalon dans les familles nobles de toute l'Europe.
Ce vin si cher aux abbesses, le fut aussi aux rois et aux empereurs : Henri IV n'en but-il pas deux bouteilles en signant son traité avec le duc de Mayenne !... Le vin de garde de Château-Chalon ne trôna-t-il pas, certains jours, en face du Tsar Nicolas II !... La reine Juliana de Hollande n'en a-t-elle pas dégusté à l'occasion de son couronnement !...
Cet élixir fameux, que le temps n'altère pas, eut toutefois un passé tumultueux. La révolution française dispersa le vignoble abbatial puis les maladies de la vigne - le mildiou, l'oïdium et surtout le phylloxéra - eurent raison de ceps centenaires qu'il fallut renouveler.
Dans un passé plus récent, les guerres et l'exode rural ont achevé de mettre à bas ce vignoble de prestige qui n'a du sa survie qu'à l'obstination de ses vignerons et à leur volonté de voir leur appellation reconnue en 1936. Dans les années 1970 deux facteurs sont venus conforter cette rennaissance. D'une part le remembrement et l'aménagement foncier ont permis de remettre en valeur le vignoble; d'autre part les progrès de l'oenologie ont permis aux vignerons de maintenir ce grand cru parmi l'élite des vins français.