La procession est une pratique de la liturgie catholique héritée de la France médiévale et apportée en Nouvelle-France par les premiers colons. En 1660, le haut clergé de la Nouvelle-France autorise la construction de chapelles dites de procession. Elles servent notamment de lieux de rassemblement lors de manifestations liturgiques, telles les Rogations et la procession du saint sacrement lors de la Fête-Dieu. On construira des chapelles de procession jusque vers 1900, alors que la coutume des processions, fortement enracinée dans la culture populaire québécoise, disparaîtra graduellement au cours des années 1960.
La chapelle de procession de la Sainte-Vierge est construite vers 1740 à partir des matériaux d'une chapelle plus ancienne, bâtie en 1719 près du fleuve Saint-Laurent. En 1733, l'église de Saint-Étienne-de-Beaumont est érigée, mais l'ancienne chapelle continue d'être fréquentée par les habitants du bas de la paroisse qui ne vont pas aux offices du soir célébrés à l'église. Dénonçant cette situation, le vicaire général de Québec, l'abbé Jean-Pierre de Miniac (vers 1691-1771), ordonne en 1740 aux habitants de déménager la chapelle plus près de l'église.
Le petit bâtiment, démonté et reconstruit, devient la chapelle de la Sainte-Vierge. Celle-ci fait pendant à la chapelle de procession Sainte-Anne, bâtie en 1738 à l'ouest de l'église.
En 1874, les chapelles de procession de Beaumont sont rénovées à la demande de l'archevêque de Québec. En 1948, elles sont menacées de destruction, mais sauvées grâce à une subvention de la Commission des monuments historiques. La chapelle de procession de la Sainte-Vierge est alors restaurée.
La chapelle de procession de la Sainte-Vierge est classée en 1981.