La construcción de la capilla de la Virgen Milagrosa se remonta a finales del siglo XVI, momento en el cual se edificó el hospital de San Miguel. Esta institución se dedicaba a atender a los pobres de la villa y a los transeúntes con pocos recursos. El hospital se mantuvo hasta las décadas finales del siglo XVIII, años en los cuales se fundó un nuevo hospital de caridad en las instalaciones que actualmente corresponden con el convento de las Hermanas de la Cruz.

Durante el siglo XVIII se procede a la desmantelación del antiguo hospital y a la segregación de la capilla como independiente, pero ahora con una nueva advocación, Virgen de la Aurora. Se adecuó la nueva capilla adquiriendo un altar nuevo, además de la imagen de la titular del templo. Para garantizar el decoro de la capilla y aumentar la devoción a la Virgen se fundó la cofradía de Nuestra Señora de la Aurora.

Esta organización se mantuvo vigente hasta la llegada de los gobiernos liberales del siglo XIX. Hasta la segunda mitad del siglo XIX, la capilla sirvió como templo auxiliar de la cercana iglesia parroquial de Santa María del Valle y durante los años de reforma del templo parroquial albergó al Santísimo Sacramento.

A comienzos del siglo XX, la devoción a la Virgen de la Aurora entró en decadencia, hasta tal punto que su capilla quedó abandonada. En ese contexto, un sacerdote de la localidad, Don Miguel Gallego Godoy sufragó las obras para restaurar el templo y otorgarle una nueva advocación, en este caso a la Virgen Milagrosa, devoción de gran popularidad en la Europa del siglo XX.

Es durante la década de los años veinte del siglo pasado cuando la Capilla de la Virgen Milagrosa adquiere su aspecto actual, compuesto de nave principal, sacristía y espadaña para las campanas. Tras restaurar la techumbre y la puerta de acceso, se dota al templo de un zócalo de azulejos sevillanos, se adquiere en talleres de ornatos religiosos de Vitoria el retablo mayor y las imágenes que allí se veneran: Virgen Milagrosa, San José, Sagrado Corazón de Jesús, San Miguel Arcángel y San Vicente Ferrer.

Además de estas imágenes, en esta capilla se conservan dos óleos de gran calidad artística: la Sagrada Familia y San Rafael Arcángel. Estas pinturas, datadas a comienzos del siglo XVIII, proceden del desaparecido convento de Nuestra Señora de la Encarnación que estaba ubicado en lo que hoy en día es la plaza del Corazón de María de Villafranca.