La voie romaine de Dijon à Besançon a probablement donné naissance à la commune. Détruite par les barbares du IIIe ou IVe siècle, Vitreux se releva promptement de ses ruines. Vitreux dépendait de la seigneurie de Gendrey. Son histoire est très vite liée à l'histoire de l'Abbaye Notre Dame d'Acey.
II y a déjà longtemps qu'un bûcheron voulant abattre un chêne dans la grande forêt du Vaudenay s'aperçut à son grand étonnement que sa hache, quoique fraîchement aiguisée, ne pouvait presque pas entamer l'écorce de cet arbre rebelle; puis, à chaque nouveau coup, il entendait un faible gémissement que l'écho répétait avec peine. Effrayé de ce prodige inexplicable, notre homme alla chercher au village un de ses amis qui passait pour ne point avoir de religion. Celui-ci s'engagea par serment à abattre le chêne mystérieux, dût-il y employer le reste de ses jours. II mit donc la main à l'œuvre. Après trois journées d'un travail opiniâtre il était à peine parvenu au centre de l'arbre, quand tout-à-coup, un éclat se détachant, il vit au cœur du chêne une niche resplendissante de lumière, et au milieu, la statue de la Vierge tenant entre ses bras l'enfant Jésus. Aussitôt le bûcheron tomba la face contre terre, rendit gloire à Dieu, demanda pardon de ses péchés et courut au monastère d'Acey annoncer le miracle dont il avait été témoin. Alors les moines vinrent en procession chercher la madone et la portèrent en triomphe dans leur couvent; mais quel ne fut pas l'étonnement général, quand on apprit que pendant la nuit même, la statue avait quitté l'abbaye pour retourner dans son ancienne demeure. La Vierge ayant ainsi manifesté sa volonté de ne pas quitter le chêne qui l'abritait, les moines ne persistèrent plus dans leur premier dessein; mais environ un siècle après l'arbre tombant de vétusté, ces religieux résolurent une seconde fois de la transporter dans leur église. Elle s'enfuit derechef et le lendemain on la retrouva dans son arbre. Alors, et c'était en 1561, le Père Laurent Varin, prieur du monastère, fit construire sur l'emplacement qu'avait occupé le chêne miraculeux une petite chapelle où tous ceux qui étaient affligés venaient dévotement en pèlerinage. Mais plus tard, le souvenir de la pieuse tradition s'étant effacé ce lieu solitaire devint un lieu de plaisirs et de divertissements. On venait danser bruyamment aux jours de fête sous le péristyle de la chapelle. Ces réunions ayant donné lieu à quelques désordres, l'autorité s'en émut, et fit raser la chapelle profanée en 1812. Le 1er mars de cette même année, la statue de Notre-Dame-du-Bois fut conduite processionnellement à I'église de Vitreux où on la voit encore aujourd’hui.
(source : Armand Marquiset)
Son histoire : cette église dédiée à Saint-Léger, évêque d’Autun, a dû être bâtie peu de temps après la mort de ce prélat (en 680). Elle était en 1090, le centre d'une vaste paroisse comportant les villages de Vitreux, Pagney, Ougney et Taxenne. Elle a été remaniée au cours des âges. L'édifice date du XIIe, du XVe et du XVIe siècle. La restauration définitive de ce bâtiment a été réalisée par les habitants en 1952.
Ses objets d'art :
L'Abbaye Notre Dame d'Acey, (voir page dédiée)
Le bâtiment communal construit en 1847 comprenant l'école, la mairie et un logement.
La grosse maison située au bout de la place de Vitreux, était la maison seigneuriale du fief de Vitreux qui fut possédée successivement par une famille noble de nom et d'armes.
La maison voisine était l'ancien chalet de la coopérative fromagère regroupant les communes de Pagney, Ougney et Vitreux, alimenté par l'eau de la source. La fruitière a fermé en 1970.
Il y a une fontaine située dans le Quartier Latin, l'eau y coule toute l'année.
La fontaine sur la place de la mairie était auparavant un abreuvoir important qui a été détruit en 1952. Une nouvelle fontaine, de facture moderne a été installée en 2000.
Il a existé, sous le Bois d'Amont, territoire de la commune, des mines de fer, mines qui allaient d'Ougney à Jallerange. Elles employaient beaucoup d'habitants de Vitreux au XIXe siècle. Ces mines dont l'entrée était située sur la commune d'Ougney, comportent encore quelques orifices à ciel ouvert.
Les anciennes mines d'Ougney et de Vitreux abritent une colonie de chauve-souris (grand murin, rhinolophe euryale et minioptère de Schreibers) forte de 5000 individus dont le territoire de chasse est la vallée de l'Ognon.
Sur le territoire de la commune se situe la forêt du Vaudenay, d'une superficie de 252 ha, acquise en 1955 en indivision avec la commune de Pagney. Cette forêt est couverte par 78% de chênes, 18% de résineux, 2% de hêtres et 2% de peupliers.