Reconstruite en 1830, l'ancienne église daterait du 18e siècle. Elle disposait d'un clocher couvert en bâtière avec une porte en plein cintre à pilastres. En 1788, un arrêt du Conseil du 14 juin autorise la coupe de 50 arpents de forêt afin, notamment, de réparer l'église et son beffroi (clocher). Les plans du beffroi ont probablement été dressé par A. Amoudru ; on ne sait pas si ce projet fut réalisé.

Ambiévillers devient une paroisse en 1789 avant de devenir une succursale en 1807.

En 1828, le conseil municipal souhaite agrandir le lieu de culte ; ce projet nécessite la démolition des murs latéraux du chœur, du chevet et de la sacristie et permettra l’aménagement d'un nouveau chœur et la construction de deux chapelles. Le devis fourni en 1828 est de 9 615 francs et les travaux s'achèvent en 1830.

Dès 1902, de nouveaux travaux sont projetés ; les murs de la nef et le clocher sont fort endommagés et menacent de s’effondrer. Le maire souhaite une intervention rapide. Broutchoux, architecte à Lure (Haute-Saône), présente un projet chiffré à la municipalité. Le devis s’élève à 28 000 francs. Le département de Haute-Saône s'engage à aider la commune d'Ambiévillers à hauteur de 6 000 francs. L"architecte dresse les plans ; le procès-verbal de réception provisoire du 1er mai 1905 marque l'achèvement des travaux.