La seigneurie de Montmirey et son château se trouvaient dans le bailliage de Dole et étaient souvent le lieu de résidence des comtes de Bourgogne. Philippe Ier de Bourgogne, dit Philippe de Rouvre donna cette terre à Amédée IV de Genève puis Hugues II de Chalon-Arlay en devint propriétaire par son mariage avec Blanche, fille d'Amédée III. En 1398 le duc Philippe II de Bourgogne, dit Philippe le Hardi, la réunit à son domaine.
Le premier seigneur de Montigney connu est Guillaume de Montmirey témoin, vers l'an 1092, de la donation faite à l'église de Besançon par Étiennette de Bourgogne, épouse de Guillaume Ier de Bourgogne. En 1136 Hugues de Montmirey contribua à la fondation de l'abbaye d'Accey avec Renaud III de Bourgogne et Simonin de Montmirey, écuyer puis homme lige de Jean Ier de Chalon-Arlay à partir de novembre 1293.
Quelques siècles plus tard, Colbert, grand maître des Eaux et Forêts de Louis XIV, mis en place un véritable code forestier : l'ordonnance de 1669. La Franche-Comté en devenant française en 1678 doit s'y soumettre. Il s'agit pour les petites communes d'encadrer la gestion de leur patrimoine forestier et la mise en place d'une sorte d'épargne appelé «le 1/4 en réserve» pour faire face aux besoins de la collectivité. A Montmirey, la vente des bois de cette parcelle mise en réserve et exploitée tous les 25 ans permettra le financement de travaux communaux. Le but premier de l'ordonnance de Colbert était de gérer les forêts du royaume pour assurer les besoins en bois pour la construction des vaisseaux, frégates et autres bâtiments de guerre de la Marine Royale.
Au cours de la Révolution française, la commune porta provisoirement le nom de Montmirey-les-Charmes.