Le moulin ne figure pas sur la carte de Cassini (1760). D’après la matrice cadastrale, il est construit vers 1834 par Melchior Bony, et soumis à l’impôt pour la première fois en 1836. Acquis par Joseph Boyer en 1840, l'établissement hydraulique est agrandi peu après et se compose en 1846 d’un moulin à blé de quatre paires de meule, d’un battoir mécanique et d’un moulin à plâtre, le tout actionné par deux turbines. Peu après, la matrice mentionne une "diminution de force motrice par suite d’avaries aux turbines". Jean Forcart, banquier à Bâle, acquiert le site en 1857, et le cède en 1863 à Jean Nicolas, de Mulhouse, mais il semble que son activité soit déjà arrêté à cette date. Le bâtiment est acheté en 1900 par la Société française des Bois entrecroisés, et diverses constructions y sont mentionnées peu après (remise, écurie, magasin, chantier, étuve à vapeur). Au moment où Charles Vincent devient propriétaire du site en 1908 est fondée la Société Electrique d'Avilley, Piretti et Compagnie, qui a pour objet "l’exploitation et la mise en valeur des usines d’Avilley ci-après décrites et de la force motrice qui s’y trouve". Le "grand bâtiment servant autrefois de moulin, converti en usine" est équipé au sous-sol de deux turbines et d’une machine à vapeur Winterthur. En 1912 est fondée la Société Electrique d'Avilley Vincent et Brigonnet, dont l'usine comprend "une turbine de 60 chevaux [...], alternateurs, machine à vapeur de 60 chevaux, tableaux de distribution, canalisation d'énergie électrique, transformateurs et appareils accessoires tels qu'ils existent pour l'éclairage électrique des communes d'Avilley, Ollans, Cendrey, Larians, Verchamps, Munans, Loulans-les-Forges, Cenans, Beaumotte, Blarians, Rigney, Germondans, Ormenans, Roche-et-Sorans, Fontenois-les-Montbozon et Dampierre-sur-Linotte". L'affaire est transformée en société anonyme en 1914. A sa dissolution en 1926, l’usine hydroélectrique est reprise en 1928 par la Compagnie Electrique de Franche-Comté, puis en 1934 par la société des Forces Motrices de la Loue, et par celle des Forces Motrices de l’Est l’année suivante. Après la Seconde Guerre, EDF reprend l’exploitation. Celle-ci est reprise en 2007 par la SARL du Moulin d’Avilley. Le bâtiment est ravagé en août 2008 par un incendie. Une centrale photovoltaïque de 110 kWc (Watt-crête) a été installée en 2010, transformant la toiture en un vaste appentis couvert de 450 modules photovoltaïques. Il semble que la centrale hydroélectrique soit toujours en service.