L'église de Chamouilley était le siège d'une cure à la collation de l'abbé de Saint-Urbain mais primitivement ce droit appartenait au prieuré d'Epineuseval qui l'avait ensuite cédé à l'abbaye en échange du patronage de la cure de Troisfontaines. Ces deux maisons prélevaient les dîmes du lieu.
Le transept de l'église Notre-Dame date de la fin du 12e siècle ou du début du 13e siècle. La nef et les collatéraux sont du 16e siècle.
Les chapelles latérales ont été ajoutées au 19e siècle. En effet, le 5 janvier 1862, le conseil de Fabrique de l'église Notre-Dame décida la reconstruction et l'agrandissement de la chapelle dite de Saint-Blaise. Plans et devis furent dressés par l'architecte Fisbacq de Saint-Dizier et les travaux débutèrent en avril 1863 mais conjectures et difficultés repoussèrent leur achèvement.
Le 28 juin 1890, le conseil délibèra sur l'exécution de nouveaux travaux à l'église et changea d'architecte pour retenir Charles Royer de Bar-le-Duc. Il s'agissait alors de d'agrandir (reconstruire) le choeur.
Une délibération du 15 novembre 1894 du conseil municipal valida le projet de démolition du porche occidental (reconstruction probable de l'actuel dans la foulée).
Le choeur est constitué d'une travée droite et d'une abside couverte d'une voûte d'ogives à six quartiers et d'un toit à croupe polygonale en ardoise.
Le transept peu saillant se prolonge du côté est par deux chapelles. La croisée supporte la tour du clocher couronnée d'un toit en bâtière. L'escalier en vis hors-oeuvre couronné d'une flèche conique en zinc est campé dans l'angle formé par le bras nord du transept et la nef.
La nef à trois vaisseaux de quatre travées est précédée d'un petit porche en pierre de taille. Les trois vaisseaux de la nef sont couverts par un toit unique. La sacristie est accolée au mur sud du bras sud du transept.
Le choeur est construit en pierre de taille et le reste de l'édifice est en moellon et pierre de taille.