L'église de Lamargelle date principalement de la fin du 19e siècle. L'édifice comporte une nef (datant du 13e siècle fut en partie conservée) à vaisseau unique de deux travées, une tour-porche (reconstruite en 1860) couronnée par une flèche carrée couverte en ardoise, un choeur (reconstruit entre 1860 et 1861) se compose d'une travée droite et d'une abside à trois pans, l'ensemble étant couvert d'une voûte d'ogives à six quartiers. |Sur le plan spirituel, l’abbaye de Saint-Bénigne de Dijon avait des droits sur un ancien prieuré fondé au Xe siècle sur son territoire (mais bientôt transféré à celui de Grancey-le-Château), et l’abbaye d’Auberive possédait les dîmes qu’elle avait obtenues en 1214 de la famille de Grancey et peu après par Renaud de Vivey. |L’église de Lamargelle dédiée à saint Martin, était succursale de celle de Poinson-lès-Grancey, et était desservie soit par son curé, soit par ses vicaires. Après le Concordat en 1801, elle fut érigée en paroisse curiale, avec celles de Chalmessin et de Vivey pour succursales. Mais l’église de Vivey étant restée dans les faits la succursale de celle de Praslay, c’est l’église de Villemervry qui la remplaça au titre de succursale jusqu’en 1869 (où elle devient la succursale de l’église de Villemoron).| L’église du XIIIe siècle tombant de vétusté au sortir de la Révolution, avait un choeur plus ancien divisé en deux pour servir en partie de sacristie et un ancien clocher ruiné à l’entrée du choeur. Depuis longtemps, la commune de Lamargelle projetait de reconstruire à neuf le choeur de l’église très lézardé, mais n’avait pas les ressources suffisantes. En mai1861, un curé originaire du village, Pierre Elie Mamiot, perclus d’infirmités et pour cela retiré au village, offre à la Fabrique du lieu de prendre les travaux à sa charge, et donne en plus à la commune 6000 francs pour couvrir les éventuels frais de dépenses annexes, devenant le bienfaiteur de la paroisse. Un devis et plans pour la reconstruction du clocher-porche est réalisé en 1859 par l’architecte Paul Péchiné à Langres et les travaux réalisés en 1860 par les entrepreneurs François Mignard et Bénigne Seuret de Santenoge pour 4694,80 francs. |Les travaux de reconstruction du choeur, des voûtes de la nef et l’agrandissement des fenêtres seront réalisés dès l’année suivante, avec la reconstruction de la sacristie tombée de vétusté une vingtaine d’années auparavant. Tous les travaux d’ébénisterie et de mobilier complémentaires seront réalisés par Jean-Baptiste Schanosky, excellent sculpteur sur bois dijonnais, qui mettra sa touche personnelle en plaçant un diable sous le strapontin du prêtre. |En 2011, la toiture de l’église a été entièrement refaite par la municipalité, et l’année suivante, l’association « Vals des Tilles Patrimoine » a restauré ses vitraux.
