L'actual obra és una reedificació sobre les runes d'un edifici anterior que va aprofitar les restes d'aquest, tal i com es pot veure en part dels murs i que queda testimoniat en la inscripció de la porta. Probablement la primera església fou edificada en època medieval, tot i que no n'hem trobat referències. Segons Ferrando i Roig és nomenada l'any 1240; també el 1338 en el testament de Galzeran de Sau, rector de Mura. També segons explica aquest autor, l'any 1506 va ser renovada pel seu propietari Joan Santllehir. A la consueta de Mura de l'any 1592 feta pel rector Jaume Oller, consta que des de temps immemorials la parròquia de Mura pujava en processó a la capella el dilluns de la setmana de l'Ascensió. Aquell dia es feia missa a Sant Lleïr, així com el 4 de setembre, diada del sant. Potser per això el camí de Mura a Sant Lleïr era conegut el 1620 com camí de Sant Lleïr. El 1796 la capella es trobava en estat ruïnós i el bisbe de Vic va prohibir la celebració de la missa de la processó fins que es reparés (Arxiu Episcopal de Vic, visites pastorals). Pels volts de 1798 es va fer la primera rehabilitació a càrrec del propietari, Joan Vall. Posteriorment, l'hereu del mas Sant Lleïr en va fer una altra més complerta, en la que es van renovar la volta i reparar alguns murs i l'interior de la capella, al que correspon la inscripció sobre la porta. Des de l'any 1680, de les relíquies dels Sants Màrtirs donades pel Papa Innocenci XI a Mura, la corresponent a Sant Desideri fou entregada pel canonge Diner a la capella de Sant Lleïr. L'any 1936 va ser profanada i des de llavors no mantenia el culte fins que l'any 1991 va ser restaurada i retornada al culte l'any 1995.
