Trémilly a un passé Gallo-Romain.

En 1027, Etienne de Vaux (sur St Urbain bâtisseur du château de Joinville) se marie à Renaud de Broyes, le frère de celle-ci lui octroie une partie de l'avouerie de la vallée de la Blaise, dont Trémilly, qu'il devait protéger ; il en profita pour faire augmenter les impôts et s'accapara des biens de l'église (il dû les rendre par la suite).

Au début des guerres de religion, vers 1540, le château appartint à Jacques Menisson, propagandiste protestant, il servait de refuge aux "Réformés". Pour cela, le village fut assiégé deux fois par les partisans de la Ligue, les combats furent violents. A cette époque, en 1557, Jacques Amyot, précepteur des enfants d'Henri II, évêque d'Auxerre trouve refuge à Trémilly et traduit les dernières biographies de l'œuvre de Plutarque : "Vie des hommes illustres".

La seigneurie de Trémilly : Le premier seigneur connu est Raoul vers 1190. Les seigneurs se succèdent, ils portent le nom de Noé, Guerché, Bligny et enfin de Launay.

Il y avait à Trémilly, un moulin à vent détruit par un incendie en 1820. On peut découvrir le Château, la rivière "le Ceffondet", l'église dédiée à Saint Martin, l'ancien lavoir reconverti en salle de convivialité.

Un nouveau château est construit en 1713, sur les bases d'une demeure féodale, c'est le château actuel de Trémilly. Dans le parc, un grand portique surmonté d'une statue du Cavalier Gérome, et un puits de Moïse en pierre, avec cadrans solaires, surmonté d'une statue ayant perdu la tête à la Révolution. Le château est partiellement détruit par un incendie en 2002.

L'église Saint Martin date du XVIème, elle est de style gothique flamboyant et n'a pas de clocher, il aurait été détruit par la foudre en 1664. Le portail est renaissance daté 1559.