L'évolution du nombre d'habitants est connue à travers les recensements de la population effectués dans la commune depuis 1793. Pour les communes de moins de 10 000 habitants, une enquête de recensement portant sur toute la population est réalisée tous les cinq ans, les populations de référence des années intermédiaires étant quant à elles estimées par interpolation ou extrapolation[5]. Pour la commune, le premier recensement exhaustif entrant dans le cadre du nouveau dispositif a été réalisé en 2006[6].
En 2016, la commune comptait 30 habitants[Note 1], en évolution de +20 % par rapport à 2010 (Haute-Saône : −1,4 %, France hors Mayotte : +2,11 %).
↑Population municipale de référence en vigueur au 1er janvier 2019, millésimée 2016, définie dans les limites territoriales en vigueur au 1er janvier 2018, date de référence statistique : 1er janvier 2016.
↑« Plaque du monument inaugurée », L'Est républicain, (lire en ligne)« Les municipalités de Motey-sur-Saône et de Mercey-sur-Saône se sont entendues afin de refaire la plaque du monument aux morts afin de rendre hommage aux jeunes tombés pour la France. Le monument, sis à Mercey-sur-Saône, a été érigé par les deux communes. La nouvelle plaque a l’avantage d’avoir fait la distinction des soldats morts pour la France pour Motey-sur-Saône d’une part et pour Mercey-sur-Saône d’autre part ».