Un orgue existait à la fin du 16e siècle à l'église Saint-Hilaire de Pesmes (Haute-Saône). De cet instrument subsistent encore 40 tuyaux réutilisés dans la façade actuelle. Guillaume Nourez passa un marché le 22 février 1725 avec le magistrat de Pesmes pour la construction de l'orgue actuel, la réception ayant eu lieu le 9 mai 1727. L'orgue coûta 916 livres (Mourez marchanda le buffet à un sieur Morey, sculpteur à Auxonne (Côte d'Or), moyennant 220 livres). Pour parfaire la sonorité, une trompette fut ajoutée pour le prix de 120 livres. Une réparation par l'abbé Baudran est signalée en 1772. En 1843, quelques travaux sont réalisés. En 1934, Jules Bossier de Dijon (Côte d'Or) modifie profondément l'instrument et supprime la fourniture, la cymbale, la tierce, le cornet du clavier, et retire la trompette de pédale pour installer un salicional au clavier, et basse de montre 8 à la pédale. Le clavier est échangé, modifiant ainsi la mécanique. Guéritey retrouve dans les combles de l'église le clavier original et plusieurs tuyaux dont la trompette de pédale. En mars 1978, Jean Deloye d'Audelange (Jura) restaure l'orgue, le remet dans son état d'origine et restitue en copie la tuyauterie manquante.