Le village est installé sur le flanc d’un plateau s’abaissant lentement vers le sud. Neurey-en-Vaux apparaît dès le 9^e siècle dans les archives comme appartenant à l’Abbaye de Luxeuil-les-Bains. Cette dernière possédait au village un clos de cent ouvrées de vignes et y avait installé tous les moyens d’exploitation : pressoir, celliers, maisons de vignerons.

En 1636, pendant la Guerre de Dix Ans, il est incendié par les Suédois.

L'église Saint-Valbert a été construite de 1785 à 1789, sur l'emplacement d'une ancienne chapelle. Elle présente une architecture atypique, de plan cruciforme centré sur un carré dont la voûte repose sur quatre colonnes rondes doriques.

Sur la colline de la Chassagne, un beau panorama permet d’observer, d’est en ouest, le massif des Vosges et les tours de la Cathédrale de Langres.

Neurey-lès-en-Vaux est le village natal de Claude François Denecourt, (né le 4 décembre 1788, mort le 25 mars 1875 à Fontainebleau), vétéran de l'armée napoléonienne qui consacra l'essentiel de sa vie à développer et faire connaître les richesses de la forêt de Fontainebleau à travers la création des premiers sentiers de randonnée.

Un petit musée lui est dédiée à la Mairie de Neurey-en-Vaux.