Selon l'archiviste Jean Courtieu, Déservillers est une très ancienne paroisse dont les premiers signalements datent de 1243. L'église actuelle est dédiée à sainte Agathe. Elle a été restaurée dans les années 1968 et 1990. Elle possède un berceau roman avec deux bas reliefs, David tenant la tête de Goliath à gauche, un paysan frappant une chouette à droite) sur la porte d'entrée. Détruite pendant les guerres du XVIIe siècle, elle a été reconstruite à partir de 1730, sous Louis XV. Le clocher du xve siècle a été conservé, le toit du clocher date de 1819 et il a été restauré dans les années 1970, paré de tuiles vernissées multicolores qui l'apparentent à la famille des clochers comtois à impériale.
Le retable du maître-autel a été sculpté par Augustin Fauconnet, le maître de Goux-les-Usiers en 1758. Un autre retable et le tabernacle datent de 1766. La chaire est sans doute de la même époque et du même artiste. Une peinture de sainte Agathe, patronne de la paroisse, orne la face centrale du retable principal, tandis qu'une sculpture de la sainte est située sur la chaire. Sainte Lucie à gauche et sainte Barbe à droite figurent des vierges martyres, vénérées au XVIIIe siècle. Retables et chaire ont été classés en 1916 et 1966 respectivement. Les bancs de la nef sont en bois tournés du xviiie siècle.
Au xixe siècle, en plein maximum démographique, des travaux importants ont été entrepris. Une cloche a été fondue en 1836, des boiseries furent installées en 1843 et l'orgue aurait été acquis en 1867 (mais rien n'est sûr, des anciens du village ayant mentionné un certain Cahier, artisan, comme facteur d'orgue au début du xxe siècle) et restauré en 1968, inauguré par le maître Michel Chapuis. La toiture de l'église en lave a été tuilée en 1873 par un entrepreneur de Chantrans, un certain Delphin. Les tuiles vernissées du clocher datent des travaux de 1968.
Enfin, on signale des croix, plantées lors des missions d'évangélisation du XIXe siècle : notamment une croix de la Mission de 1873 au nord du village et une au sud, une statue de la Vierge encadrée de tilleuls et inaugurée le 15 août 1855, en pleine mariologie nationale après les apparitions de Lourdes et La Salette.