Ambiévillers tire son origine du latin villare et du nom d'une personne germanique. Un pouillé (registre ecclésiastique) de 1275 mentionne la commune sous le nom d'Abonveler.

A l'instar des villages proches de la région, le bâti s'organise autour de l'église et en village-rue. L'activité agricole est prédominante et se caractérise par la ferme-bloc. Le développement des verreries et de la métallurgie diversifie l’activité économique de ces bourgs, si bien qu'au 19e siècle, l'essor industriel est significatif. La forge puis clouterie au hameau de Freland emploie jusqu'à 27 personnes au milieu du siècle. La démographie du village atteint son niveau le plus haut en 1861 avec 492 habitants.

De simple hameau au 13e siècle, Ambiévillers est devenu, au 19e siècle, un village dynamique qui se transforme. Le cadastre est réalisé en 1834 suite à l'agrandissement de l'église en 1830. Au cours du 19e siècle, le conseil municipal vote la construction de nombreux équipements communaux :

- en 1839, une école est construite avec l'accord de la préfecture. Dans le premier quart du 20e siècle, les écoles de filles et de garçons sont réunies avec aménagement d'une cour de récréation et de cabinets d'aisance (à l'emplacement de l'actuelle mairie),

- des fontaines et des abreuvoirs sont installés le long de la route principale en parallèle de la modernisation du réseau d'alimentation afin de proposer des jets continus sur les fontaines ;

- la préfecture autorise la construction d'une remise pour la pompe à incendie ;

- enfin, la construction du canal de l'Est vers la fin du 19e siècle contribue également au dynamisme du territoire ;

Au cours du 20e siècle s'amorce le déclin industriel avec pour conséquence principale une forte chute démographique comme dans de nombreux villages hauts-saônois et vosgiens après la première guerre mondiale.