L'église, sous le vocable de l'Assomption de Notre Dame (fête le 15 août), est un vaste édifice construit en pierre de Balesmes en trois campagnes : la fin du XIIe siècle pour le choeur et l'avant-choeur surmonté du clocher (contemporains de la cathédrale de Langres, avec laquelle ils offrent quelque parenté), le XIIIe siècle pour les deux premières travées de la nef, et la fin du XVe siècle pour la dernière travée avec son portail ouest remanié, un portillon latéral bouché et l'escalier extérieur à vis. L'église de Balesmes est classée au titre des Monuments Historiques depuis le 9 juillet 1909.

La nef est voûtée sur croisées d'ogives par de gros boudins et de larges arcs doubleaux qui retombent sur des chapiteaux à crochets martelés posés sur des culs-de-lampe. Elle est éclairée au sud par de petites fenêtres étroites largement ébrasées. Avec sa longue nef unique (rallongée à la fin du XVe siècle), son avant-choeur surmonté d'un clocher « langrois » trapu et son choeur à chevet plat, l'église de Balesmes, fièrement posée sur un éperon dominant la Marne, est un édifice typique des églises rurales des XIIe-XIIIe siècle de la région langroise, qui témoigne de la richesse des évêques de Langres à cette époque.
En plus de peintures murales du XIXe siècle, l'église de Balesmes offre un intéressant mobilier : un maître-autel avec retable à baldaquin en bois, issu d'un atelier langrois du début du XVIIIe siècle ; la pierre tombale de Prudent Arnoult, prêtre, prieur et curé de Balesmes mort en 1574, ainsi que deux dalles funéraires du XVIIe siècle. Enfin, elle présente une curieuse dédicace de 1500 de l'autel de saint Joseph, gravée sur l'encadrement d'une piscine à droite dans la nef.

Monument historique, Édifice religieux