Autrefois succursale de celle de Grancey-le-Château, elle a été érigée en 1803 en paroisse curiale avec Villemoron comme succursale. Mais revenue peu après dans son état initial, elle est devenue simple succursale de Lamargelle jusqu’en 1869, avant de devenir la succursale de Villemoron. Cette église isolée à clocher-porche a fière allure, semble avoir été bâtie dans la seconde moitié du XIIe siècle. Une légende affirme qu’à l’époque où on la construisit, le seigneur local, craignant que la flèche de l’église dépassât son habitation, s’opposa à la construction de cette église, mais en vain… Des traces d’arrachage de murs sur le flanc nord, suggèrent l’existence d’une ancienne chapelle, qui a peut-être été prévue mais non réalisée, puisqu’il n’y a pas de porte en cet endroit. Seules les travées du porche et du choeur à chevet plat sont voûtées d’arêtes. On pénètre dans la nef par un portail d’origine mouluré surmonté d’un simple bandeau. La nef, actuellement plafonnée, semble avoir eu autrefois une voûte lambrissée en carène. Les fenêtres, toutes au sud, ont probablement été agrandies en plein-cintre au cours du XVIIIe siècle, lors de la campagne de changement de plafond. Cette église a été nettoyée et restaurée en 2012 par l’association « Vals des Tilles Patrimoine » aidée par la municipalité. A l’occasion de cette restauration , le retable qui était autrefois placé sur l’autel majeur, a été déplacé sur la gauche pour permettre la réouverture des fenêtres du choeur. Au centre du retable, on remarquera particulièrement le tableau qui est une copie d’une l’oeuvre attribuée à l’atelier de Raphaël : « La Vierge à la Promenade ». Au cours du nettoyage des murs de la nef, ont été mis à jour au nord des fragments de peintures murales non datables. Enfin, afin de rendre cette église opérationnelle, 64 chaises ont été acheté par souscription par l’association « Vals des Tilles Patrimoine ». Eglise inscrite sur l'Inventaire Supplémentaire des Monuments Historiques le 1er février 1929.

L'église Saint-Gilbert date de la fin du 18e siècle, de 1762 pour être précis, comme l'indique l'inscription sur chacun des linteaux de la porte d'entrée et de la porte du clocher. Avant cela, Mouilleron ne possédait pas de lieu de culte, et dépendait du village voisin de Musseau. L'édifice comporte une nef à vaisseau unique, flanquée au sud de la sacristie au toit en appentis, un choeur à travée unique et une tour du clocher couronnée d'une flèche polygonale couverte en ardoise.

L'église Saint-Rémy comporte une nef à vaisseau unique de deux travées, une tour-porche couronnée d'une flèche polygonale couverte en ardoise, une nef suivie d'un transept saillant voûté d'arêtes et un choeur à deux travées droites se terminant par un chevet plat. Ce choeur paraît remonter au 13e siècle alors que la tour-clocher a été construite au 16e siècle. L'édifice subit de nombreuse modification entre 1860 et 1904, date à laquelle la nef fut entièrement reconstruite à l'exception du mur contre lequel est accolé le clocher.

Créée en 1993, le Marais de Chalmessin constitue un trésor naturel au milieu des bois. Ses 124 hectares, gérés par le Conservatoire d'Espaces Naturels de Champagne-Ardenne, abritent l'un des marais tufeux les plus remarquables du plateau de Langres. Depuis la dernière glaciation, il y a 8 000 ans, des conditions très particulières ont permis à cet étroit vallon de conserver une faune et une flore typiquement montagnardes. Sentier de découverte en accès libre toute l'année ou visite guidée sur demande.Pour les spécialistes de nature : La ZNIEFF constituée par le Marais de Chalmessin et par la Combe Quemaulles est très typique du plateau de Langres et est caractérisée par la richesse de sa flore et de sa faune (avec des espèces protégées, des espèces menacées et rares). Le relief est très accentué, les pentes raides orientées pour l'essentiel au nord et au sud favorisent des microclimats particuliers, avec de belles oppositions de versants. Les nombreuses sources situées vers le fond et le milieu du vallon sont considérées comme étant les sources principales de la Tille ; chargées de carbonate de calcium dissout, elles sont responsables des dépôts de tuf et à ce titre sont à l'origine de la formation du marais.La végétation :Sur le plateau se développe la chênaie-charmaie-hêtraie calcicole, sur les pentes les plus froides est localisée la hêtraie à dentaire et sur les versants les mieux exposés prospère la hêtraie sèche à Carex alba, remarquable site forestier xérophile et montagnard, avec des espèces rares comme Cephalanthera xiphophyllum et Epipactis leptochila. Certaines zones montrent des systèmes dynamiques en mosaïque où les lisières et les petites clairières sont bien développées ( de type Geranion sanguinei) qui renferment outre certaines espèces forestières citées plus haut, des espèces de lisières comme Coronilla coronata ou des espèces de pelouses comme Aster amellus, protégée en France, Limodorum abortivum, protégé à l'échelon régional. La forêt bordant les marais se rapporte pour l'essentiel à l'Aceri-Fraxinetum.La végétation des marais tufeux (en partie débroussaillés) est essentiellement herbacée, les fruticées étant limitées aux lisières et à quelques zones situées à l'aval du marais : les 3/4 de leur surface sont constituées par une cariçaie à Carex davalliana, avec des espèces végétales telles que Dactylorhiza incarnata, Schoenus ferrugineus (protégé au niveau national) et Eriophorum latifolium inscrits sur la liste rouge des végétaux de Champagne-Ardenne. Le long des ruisselets se développe une cariçaie à Carex stricta relevant des magnocariçaies et abritant une espèce rare sur le plateau de Langres, le ményanthe trèfle d'eau. Les marais sont constamment bordés par une frange de gros touradons de molinie, avec des espèces rares comme Ranunculus polyanthemoides et Ophioglossum vulgatum. Au contact des fruticées et de la moliniaie se développe une frange irrégulière de Filipendulion caractérisé par l'Aconit napel, montagnarde protégée en Champagne-Ardenne, abritant le très rare Salix repens variété rosmarinifolius, également protégé. Les marais sont bordés de façon plus ou moins continue par une saulaie à saule cendré et saule pourpre comportant une fougère rare, le thélyptéride des marais.La faune :Les pelouses occupent aujourd'hui une surface minuscule en comparaison avec leur étendue au début du siècle et elles étaient plus ou moins envahies de broussailles : ce secteur est géré par pâturage et un suivi scientifique est en cours. Elles sont encore bien pourvues en espèces intéressantes comme Carex ornithopoda, Viola rupestris et Deschampsia media, espèce en voie de régression car liée aux zones dénudées et piétinées. L'étude de l'avifaune fait apparaître la richesse du site par le grand nombre d'espèces recensées et révèle son importance pour la nidification et les haltes migratoires de nombreuses espèces : le marais n'est fréquenté régulièrement que par quelques espèces insectivores pour l'essentiel qui viennent s'y nourrir, notamment pouillots, accenteurs et mésanges. La lisière est le milieu le plus fréquenté et accueille à la fois des espèces forestières et des espèces de milieu plus bocager. La forêt est également bien fréquentée.Sur les parties humides du marais se rencontrent, entre autres, la musaraigne aquatique protégée en France et inscrite sur la liste rouge des mammifères de Champagne-Ardenne. Onze chauve-souris, toutes protégées ont été notées dont le murin à moustaches, le murin de Daubenton, la pipistrelle, la Barbastelle et le Grand Rhinolophe. Plusieurs ensembles de terriers de blaireaux, espèce de la liste rouge régionale se remarquent dans la Combe Roire. Chevreuils, cerfs (uniquement de passage) et sangliers sont moyennement bien représentés, avec néanmoins une bonne fréquentation du marais.Sept espèces de batraciens et trois espèces de reptiles ont été observées surtout aux abords et dans le marais : la salamandre tachetée (qui se reproduit dans les vasques de tufs du marais de pente), la grenouille rousse, les crapauds commun et accoucheur (deux étant inscrits sur la liste rouge de Champagne-Ardenne). Le lézard vivipare est étroitement lié au marais et aux berges humides des ruisseaux, très rare en Haute-Marne, il n'y est signalé que dans quelques sites du plateau de Langres et des forêts du Der.L'entomofaune du secteur est particulièrement bien représentée et diversifiée avec 4 espèces protégées et 25 espèces menacées et rares, une partie de celle-ci ayant la même tonalité biogéographique qu'une partie de la flore : les libellules comportent notamment une espèce protégée au niveau national et international (convention de Berne et Directive habitats), l'agrion de Mercure, en déclin dans toute l'Europe et inscrit sur la liste rouge française, ainsi que le cordulégastre bidenté, rare en France (considérée comme une indicatrice de l'étage montagnard) et fortement menacée par la destruction de ses biotopes, le cordulégastre de Bolton, un peu moins menacé, Somatochlora flavomaculata, menacée en Europe, observée au-dessus des ruisselets et petites vasques qui parcourent le marais (ce type d'habitat est assez exceptionnel et semble être une particularité locale). Ces Odonates font partie de la liste rouge des insectes de Champagne-Ardenne. Les criquets se localisent pour l'essentiel dans le marais avec notamment Conocephalus dorsalis, Chrysochraon brachyptera et Chorthippus montanus, dans les prairies avec Omocestus viridulus, Metrioptera brachyptera et Mecostethus grossus très abondant et fortement consommé par les blaireaux. Soixante-cinq espèces différentes de papillons diurnes ont été observées dans le secteur, alors que la région recèle potentiellement 95 espèces de Rhopalocères, ce qui montre la très grande richesse du site avec notamment pour le marais trois papillons protégés, la bacchante (périphérie boisée du marais), le damier de la succise et le fadet des tourbières ou daphnis qui est une des espèces les plus menacées en France, inscrite sur la liste rouge française en tant qu'espèce en danger.Mis à part une petite tendance à la dynamique naturelle de certaines parties du site, il est en très bon état de conservation et constitue l'un des sites botaniques haut-marnais les plus remarquables (en 1980, il est classé parmi les 10 sites d'intérêt national retenus pour le département).Visite guidée pour les groupes possible sur demande au Conservatoire d'Espaces Naturels de Champagne-Ardenne.