Только что удалось проверить это в исходном коде для Log4Net версии 2.0, и я вижу, что не учитывается регистрация InnerException. Это текущее ограничение Log4Net (версия 2), заключающееся в том, что он не поддерживает рендеринг InnerException из коробки. Вот почему вы начинаете использовать NLog, поскольку он имеет встроенную поддержку рендеринга InnerException - ссылка