L’église de Mellier se situe au pied d’un site formant une butte dite Haut de la Cour. Des fouilles archéologiques, entreprises dans les années 1980 à l’ouest de l’église, ont permis de localiser la base d’une tour carrée, probablement érigée dans le courant du XIe siècle. Celle-ci recouvrait à son tour une partie des substructions d’un édifice beaucoup plus ancien, peut-être une villa carolingienne mentionnée dans les textes. Cette tour, dont la hauteur devait être appréciable, fut emmottée, c’est-à-dire englobée au sein d’un tertre de schiste et de terre, une motte castrale. L’ensemble ainsi constitué apparaissait alors comme une tour garantie par une motte dominant une basse-cour et surveillant la vallée, le tout ceinturé d’un rempart. Ce petit complexe castral fut abandonné au fil du temps, lorsque Mellier intégra la prévôté de Neufchâteau au XIIe siècle. L’ancienne chapelle castrale ne fut, quant à elle, démolie que vers 1842 pour faire place à l’église actuelle. Le site est aujourd’hui plus bucolique, il forme toujours une grosse butte plantée d’arbres dont le sous-sol renferme les vestiges archéologiques. Au pied de la butte, l’église Saints-Pierre-et-Paul est plantée au centre de son ancien cimetière fermé par un muret de schiste. Précédée par de vieux arbres, elle est dotée d’une nef de quatre travées, fermée par une abside semi-circulaire. Elle est éclairée par des fenêtres en plein cintre. On y accède par un portail à larmier porté par deux pilastres, au-dessus duquel se trouve un oculus. Le pignon d’entrée est surmonté d’un fronton triangulaire et d’un clocheton ajouté en 1872. À l’intérieur, l’église conserve un mobilier de style Empire, plusieurs statues du XVIIIe siècle ainsi que des fonts baptismaux portés par un fût de colonne ancien du XVIe siècle.
Classement comme site le 26 février 1981