Les premiers travaux sont liés à la loi du 19 juillet 1837 qui ouvre un crédit pour les ouvrages à exécuter entre Port-sur-Saône et Verdun-sur-le-Doubs pour le perfectionnement de la navigation de la Saône. L'adjudication est lancée le 9 août 1839 (AD 21). En 1841, "les fondations du pertuis sont commencées ainsi que le corps du barrage". Les travaux se poursuivent sur les années suivantes ; en 1845, il est précisé que le barrage comportait un pertuis de navigation de 15 mètres de largeur. L'ingénieur Variot décrit cet ouvrage primitif : le barrage fixe mesurait 190 m de long et présentait une certaine obliquité avec l'axe de la rivière (L. Bonnamour reprend la notice de M. Variot dans son ouvrage). Les plans conservés à la subdivision de VNF de Gray, datant de la fin du 19e siècle, montrent les aménagements effectués dans la seconde moitié de ce siècle, en application de la loi du 24 mars 1874. Une partie du barrage fixe et le pertuis ont été détruits au profit d'un barrage mobile avec aiguilles et fermettes, la partie conservée formant déversoir. Ces travaux d'exhaussement et de transformation furent exécutés de 1880 à 1882 avec pour objectif d'obtenir un mouillage de 2 mètres. Le procès-verbal d'adjudication des travaux d'exhaussement et de transformation du barrage de Poncey date du 15 avril 1880 sur le projet dressé par Variot le 31 janvier 1880.

La mise en place de vérins hydrauliques est, quant à elle, un aménagement récent (1995).