Bien que l’édifice soit hétérogène, il conserve peut-être des éléments de la première moitié du 11e siècle, notamment les six premières travées de la nef, à l’origine non voûtée. Ces travées rappellent celles de plusieurs églises du Jura datant de cette époque et de certains édifices de tradition ottonienne, comme Saint-Maurice d’Epinal. La septième travée, plus large, pourrait être un vestige du transept de l’église originelle romane. Un porche à étage, donnant également accès à l'abbaye, est bâti au milieu du 13e siècle. L'église est agrandie vers l’est lors d’une très importante campagne de travaux à la fin du 14e siècle ou au début du 15e : le transept et le choeur actuels sont construits, et l’ensemble de l’édifice est voûté sur croisée d’ogives. Le chœur accueille alors, au nord, le monument funéraire de Jean de Bourgogne, seigneur d’Amance et gardien de l’église mort en 1372 (déménagé plusieurs fois à partir du début du 17e siècle, ce monument est aujourd’hui détruit). La chapelle nord-est, adossée au chœur et au transept, est édifiée quelques années ou décennies plus tard par Jean de Neuchâtel, seigneur d’Amance, petit-fils du précédent. Jadis dédiée à Saint-Antoine de Padoue, elle est aujourd’hui vouée au Miracle des Saintes-Hosties. L’ancienne chapelle Saint-Benoît, ouverte sur la nef et adossée au bras nord du transept, date également du 15e siècle.

L’église est fortement endommagée par un incendie vers 1580 et une grande partie des voûtes s’effondre (au moins celles du chœur, du transept et des trois travées orientales du bas-côté sud). Elles sont reconstruites peu après par l’abbé François de Grammont dont les armoiries, avec le millésime 1586, sont sculptées sur la clé à la croisée du transept. Cet abbé fait également reconstruire les parties supérieures du grand clocher sud, alors coiffé d’une flèche, et réaliser un mobilier important, dont un ensemble de stalles. La couverture du clocher est remplacée au 17e siècle par ce que dom Bebin, historien bénédictin de Faverney, décrit vers 1670 comme "trois jolis dômes assez élevés l’un sur l’autre". D’autres transformations mineures sont réalisées au cours de ce siècle après l’introduction de la réforme de Saint-Vanne, comme les décors des portes à colonnes et frontons du porche à l’ouest. Ceux de la fin du siècle sont surtout repérables dans les comptes conservés de l’abbaye : on identifie ainsi, par exemple, une modification des maçonneries des fenêtres de la nef, et un nouveau changement de la toiture du clocher.

Par la suite, entre 1734 et 1771, l’église connait une réfection intérieure assez complète, en accord avec l’architecture classique des bâtiments conventuels. La chapelle de la Vierge, adossée au sud du chœur, est construite de même que le petit clocher au sud-est. Le chœur reçoit un décor de panneaux entre des pilastres à chapiteaux en plâtre, faits de plaques de pierre marbrière rouge (de Damparis) et blanche, de peinture faux-marbre et de tableaux, sans doute dans le goût de l’abside du Saint-Suaire de la cathédrale de Besançon contemporaine. Dans la nef, tous les piliers sont uniformément rhabillés de brique et de plâtre, sur plan carré, et dotés de pilastres adossés, à chapiteaux corinthiens, portant un entablement saillant. Lors de cette campagne de travaux, l’ensemble des sols est également refait en dallage blanc à cabochons noirs, en rehaussant les niveaux, notamment celui de la nef (qui avait déjà par le passé été remonté au moins à deux reprises). Ces travaux bouleversent la disposition de plusieurs des monuments funéraires les plus anciens, à commencer par la tombe de sainte Gude, abbesse de Faverney, qui, portée à l’origine par quatre colonnettes, s’élevait au milieu de la nef et se trouve désormais totalement recouverte par le nouveau dallage.

Déclarée Bien national, l’église est achetée le 22 juin 1791 par la commune, qui prévoit dans un premier temps d’y installer des magasins de stockage. Le mobilier disparait en grande partie et beaucoup de choses sont détruites comme les stalles du 16e siècle, le maître-autel ou les tableaux du chœur. Après la Révolution, alors que l’église Saint-Bénigne est vouée à la destruction et à la vente, l’abbatiale devient en 1802 le siège de la paroisse. Dans un premier temps, la commune ne réalise que des travaux d’entretien limités au clos et au couvert, sans souci archéologique. Mais l’édifice est classé en 1846 parmi les monuments historiques et l’Etat engage des subventions pour aider sa restauration. Après étude de l’architecte bisontin Victor Baille, les travaux sont confiés à l’architecte en chef des Monuments historiques Emile Boeswilwald. Ce dernier fait reprendre les contreforts sud et reconstruire partiellement les parties hautes du pignon du porche, avec la rose.

A partir de 1860, c’est sur l’initiative locale, tant de la municipalité que du clergé, que les restaurations sont poursuivies suivant les projets de l’architecte Félix Grandmougin. Des baies murées au début du 19e siècle sont alors désobstruées et la nef est entièrement débarrassée de son habillage classique et uniformément ré-enduite. A ce moment est également créée la tribune d’orgue. En 1862-1864, à la suite d’un don, la chapelle du Saint-Sacrement est réaménagée, un nouveau mobilier est installé et les murs reçoivent des décors peints ainsi que des peintures murales de Charles Ménissier, peintre langrois. En 1894, le chœur est à son tour dépouillé de son décor classique. Ce n’est qu’après la deuxième guerre mondiale, en 1966, que les enduits intérieurs sont presque entièrement supprimés. En 1975, les décors du 19e siècle de la chapelle du Saint-Sacrement sont détruits, et avec eux les peintures murales de Ménissier.