En contrebas du château, du côté de l'Est, on devine l'emplacement d'une chapelle surplombant la cascade. De nos jours, seul un mur est encore visible côté Sud. A l'Est on devine très nettement le choeur de cette chapelle dédiée à sainte Agathe, mentionnée en 1303 dans le testament de Guillaume de Châteauneuf de Rochebonne.
Elle était extérieure au château et correspondait à une chapelle castrale, c'est-à-dire un lieu de culte à la fois pour le château et pour les habitants du village de Rochebonne. Elle était desservie par un prêtre, le chapelain, nommé par le seigneur de Rochebonne. On sait que l'on y célébrait encore la messe en 1743. De plus,  le 17 septembre 1749, Jacques Gourjon, prêtre aux Estables, est nommé «recteur de la chapelle sainte Agathe de Rochebonne».

Mais selon le rapport établi en 1763 par l'expert Lacrotte, elle était «sans couvert ni toit, à laquelle est un petit clocher sur l'autel».
Une tradition rapporte que les fonts baptismaux de l'église de Saint-Martin-de-Valamas proviennent de la chapelle sainte Agathe.