Traversée par la Semouse et la Combeauté, la commune est d’origine très ancienne. Une église y fut établie dès le IXème siècle et l’église actuelle date du XIXème, elle a un clocher flèche. Derrière, à gauche, se trouve la maison où naquit Dom Grappin (Charles Philippe), célèbre bénédictin (1738-1839).
En avant et en contrebas de l’église se trouve un château à 2 tourelles croisées, construit par Benoît Gay, avocat au parlement, procureur fiscal de la terre de Luxeuil, mort en 1744. Ainvelle est la patrie d'Eugène Maillot, bras droit de Pasteur.
La Grotte, Notre-Dame de L'Assomption. à quelques décamètres seulement des dernières maisons d'Ainvelle, au bord du chemin qui mène à la grande route de Saint Loup - Conflans et à l'orée du Bois, s'élève notre grotte ! Elle est belle et majestueuse. Notre Dame de la Grotte, elle est admirée et aimée de tous, les Ainvellois en sont fiers ! Elle imite d'assez près la grotte de Lourdes avec à droite l'excavation ogivale abritant la statue de Notre Dame de Lourdes, à gauche dans le renfoncement ménagé à cet effet un autel pour la célébration de la messe. La grotte date de 1886 comme en témoignent les archives. Ce monument dû à la piété des catholiques pratiquants d'Ainvelle est un souvenir de la mission prêchée en 1886 pendant 15 jours, du 21 novembre au 5 décembre par les Révérends Pères Bénigne et Jean, capucins de Besançon. Les paysans de ce temps-là sont allés chercher des pierres spéciales ciselées par l'érosion des siècles jusqu'à Girefontaine pour la construction de la grotte. Elle fut inaugurée le 24 Avril 1887. Notre-Dame de l'Assomption veille sur le village d'Ainvelle qui la célèbre tous les 15 Août lors de la fête patronale. Nombreux pèlerins s'arrêtent souvent pour prier Marie, Notre-Dame.