L'église de Musseau, dédiée à saint Pierre et saint Paul, était succursale de Chalancey. Sous le domaine spirituel, on voit que le seigneur de Boussenois céda en 1256 les dîmes de Musseau à l'abbaye d'Auberive. Une légende prétend qu'un laboureur découvrit la statue de saint Pierre enfouie dans son champ, situé à la limite des territoires de Chalancey, Mouilleron et Musseau. Chaque communauté essaya vainement à tour de rôle de l'emmener dans son église, mais c'est finalement un pauvre paysan de Musseau avec son vieux cheval, qui l'emmena dans l'église de Musseau, offrant du même coup la titulature de la paroisse à saint Pierre.En 2009, cette légende a été représentée sur un tableau dans le lavoir par une artiste de Musseau. Vers l'an 1629, l'église de Musseau fut érigée en paroisse curiale avec Chalmessin pour succursale et desservait Mouilleron qui n'avait jamais eu d'église. Une situation qui dura jusqu'en 1773, année où les habitants de Mouilleron ayant construit eux-mêmes une chapelle dédiée à saint Gilbert pour leur usage, leur chapelle érigée en église paroissiale, devint également une succursale de Musseau, avec son cimetière propre. En 1715, la paroisse toute entière de Musseau, fut réunie à la juridiction de la Bourgogne, à l'exception de l'église et de la cure (confirmé par un arrêt du parlement de Paris en 1741). L'église de Musseau, pour l'essentiel du XIIIe siècle (choeur et chapelle seigneuriale au nord), fut en partie reconstruite en 1642 par Pierre Duval seigneur du lieu, après les désastres de la guerre de Trente Ans. Ce bienfaiteur y est enterré en 1666. Les baies de la nef ont sans doute été élargies au XVIIIe siècle. Au sortir de la Révolution, l'église de Musseau est en piteux état. En 1829, le plafond en planches de l'église est tombé, et les paroissiens n'ont plus d'offices religieux. Mais la commune n'a pas les moyens d'honorer un devis de réparations de 1200 francs, sans couper quelques arbres dans les coupes par anticipation. Les travaux seront terminés le 20 septembre, réalisés par deux frères, Nicolas et François Poutot et leur beau-frère Nicolas Baillet, tous de Musseau. En 1870, il est encore question de travaux à réaliser à l'église et au presbytère pour un montant global de 2700 francs. Mais au vu des finances limitées de la commune, le préfet n'autorise que la réparation du clocher « qui est en très mauvais état » pour 1764 francs, lequel sera refait d'après les plans de l'architecte Godard de Langres. Au printemps 1881, la commune fait encore réaliser des travaux à l'église, au clocher et au presbytère pour un montant de 5000 francs, selon les plans de M. Baillet, entrepreneur en bâtiments à Musseau. Une dernière restauration du clocher a été opérée en 2016 par la commune. En 2011, le mur du haut du cimetière éboulé, a entièrement été remonté par les bénévoles locaux de l'association « Vals des Tilles Patrimoine ». On remarquera enfin en contrebas de ce même cimetière, la création en 2012 d'un de derniers monuments aux morts de la Grande Guerre en Haute-Marne par l'association « Vals des Tilles Patrimoine ». Les 2 travées du choeur et la chapelle qui s'y rattache côté nord sont datables du XIIIe siècle (la voûte de la 2ème travée est néanmoins datée de 1649 et les baies sont néanmoins élargies semble-t-il au XVIIIe siècle). La nef est peut-être contemporaine, mais très remaniée par la suite, elle reste difficilement datable. La tour du clocher est elle aussi du XIIIe siècle. On trouve le nom de Pierre Duval sur une dalle funéraire de la chapelle latérale (personnage mort en 1666), sur la plaque commémorative de la même chapelle, également le nom de Duval sur la voûte du choeur (avec armoiries et la date de 1649) et les mêmes armoiries peintes au-dessus de la porte occidentale (sous le porche). Les deux travées du choeur et la chapelle attenante sont inscrites sur l'Inventaire Supplémentaire des Monuments Historiques depuis le 15 janvier 1929.
