Durant l'antiquité, la voie romaine qui reliait le Rhin à Langres passait au sud de Vitrey.
Les habitants, qui dépendaient au Moyen-Age de la terre de Vitrey, furent affranchis en 1577, de facon assez précoce par rapport aux autres communes de Haute-Saône.
L'église Saint Laurent fut construite au XVIe siècle et agrandie et remaniée au XVIIIe siècle.