Le sport à Vesoul est diversifié notamment grâce à certains clubs locaux réputés et des équipements sportifs d'importance que compte la ville-préfecture de la Haute-Saône. Vesoul a été élue « Ville la plus sportive de France » en 2001Dans la catégorie des communes de moins de . Ce concours est organisé annuellement par le journal sportif L'Équipe..
Les premiers clubs sportifs à Vesoul voient le jour à la fin du ; ils sont pour la majorité orientés vers les sports tels que la natation et la gymnastique. Au cours du , les clubs de sport se multiplient et des dizaines de nouvelles disciplines sportives font leurs apparitions dans la ville. Aujourd'hui, en partenariat avec l'office municipal des sports, la commune compte plus de licenciés dans environ de sports différents, qui se partagent plus de , dont certaines sont uniques dans le département. La ville dénombre plusieurs clubs de sports nationalement renommés tels que le Football Club de Vesoul, le Cercle sportif Vesoul Haute-Saône et l'Avant-garde de la Motte.
La ville de Vesoul totalise environ 70 équipements sportifs différents dont les principaux sont le stade René-Hologne, construction permettant la pratique de plusieurs sports et la maison des associations, complexe sportif comprenant de multiples salles spécifiques. La commune organise chaque année deux événements sportifs majeurs : le triathlon de Vesoul et la semaine de la pétanque. De nombreux sportifs ont évolué dans des clubs sportifs vésuliens, c'est le cas du pilote professionnel Stéphane Peterhansel et de l'athlète Julien Casoli.
La présence de nombreuses infrastructures, de clubs sportifs notables et d'une politique favorisant le pratique du sport font de la ville de Vesoul, une commune impliquée dans la vie sportive.
Histoire du sport à Vesoul thumb|Match de l'équipe première au stade des Allées en 1942. Le gardien vésulien Gabriel Bruyat boxe le ballon.
Des associations sportives sont créés à Vesoul dès la fin du .
En 1910, le premier club omnisports de l'histoire de Vesoul voit le jour : il s'agit de l'Avant-garde de la Motte. Deux disciplines sportives sont proposées (tir et gymnastique).
Le , a été créé à Vesoul un « office municipal des sports ». Cette organisation est alors chargée de fédérer les acteurs sportifs locaux et de promouvoir la pratique sportive dans la ville. Il permet d'associer les clubs sportifs à la politique sportive municipale.
En 1981, une base de voile proposant différentes activités nautiques ouvre sur le lac de Vaivre.
Dès 1984, un triathlon est organisé à Vesoul.
Un nouveau complexe sportif, la maison des associations, est ouvert à Vesoul en 1984.
En 2001, la ville est élue Ville la plus sportive de France, dans la catégorie des communes de moins de 20000 habitants.
Une école municipale des sports, service municipal, qui a pour but de faire découvrir et d’initier les enfants à la pratique du sport est créée en 2008..
En 2017, l'Office municipal des sports est dissout au profit d'un office intercommunal des sports.
Aujourd'hui, la ville de Vesoul est le siège de la direction départementale de l'Éducation, de la Jeunesse et des Sports, service du conseil départemental de la Haute-Saône.. La ville de Vesoul est également le siège de plusieurs instances telles que le district de football de Haute-Saône, appartenant à la ligue de Franche-Comté de football. mais également les comités départementaux d'aéromodélisme., de tennis. ou encore de rugby..
Équipements sportifs Gymnases et salles omnisports La commune de Vesoul a à disposition, sur son territoire, une dizaine de gymnases ainsi que des salles multifonctions d'intérêt...
Localisé dans le quartier du Montmarin, le complexe sportif Michel-Roy, construit en 1991, comprend un bâtiment abritant une salle d'expression corporelle. et un gymnase, où peuvent être pratiqués le basket-ball, le badminton, le handball et le volley-ball...
thumb|left|Maison des associations. Situé au sud du quartier des Rêpes, le complexe sportif de Pontarcher est doté d'un bâtiment composé d'une salle multisports (pour la pratique du badminton, basketball, handball, tennis, volleyball...). et d'une salle spéciale pour la lutte...
La maison des associations est un vaste complexe sportif couvert de situé au sud de la ville. Certains de ces bâtiments étaient autrefois une manufacture des tabacs. Construit dès 1897, ces bâtiments ont été en activités jusqu'en 1963. Au milieu des années 1980, l'intérieur des bâtiments de la manufacture des tabacs sont aménagés, d'autres bâtiments sont construits et agrandis : l'ensemble immobilier devient alors un complexe sportif. La maison des associations permet la pratique de plus de sportives différentes. Elle est notamment constituée d'une salle omnisports nommée « Gymnase Jean-Jaurès », dotée d'une tribune de assises, d'un sol en parquet et permettant de pratiquer le badminton, le basket-ball, le handball, le tennis, le volley-ball, le futsal.... La maison des associations est aussi composée de multiples autres salles : une salle de gymnastique, une salle polyvalente, un dojo, une salle de boxe, une salle de tennis de table et une salle de tir...
thumb|Gymnase Michel-Roy. De multiples gymnases sont répartis dans la préfecture haut-saônoise. À l'est de la ville, le gymnase du Stade est un bâtiment, construit en 1968, utilisé principalement pour la pratique de l'escrime.. Le gymnase des Presles, situé 19 rue Lafayette, fut édifié durant les années 1960 à l'initiative de Michel Guillet, président du club de l'AGM de Vesoul, de 1958 à 1971. Pour rendre hommage à cet homme, le gymnase a nommé sa principale salle « Salle Michel-Guillet »... Le gymnase des Haberges, localisé dans le quartier éponyme, est un gymnase multi-fonctions (escalade, badminton, handball, volley-ball, musculation, futsal)... Le gymnase Lasalle dispose de multifonctions qui permettent de pratiquer le badminton, le basket-ball, l'escalade, le futsal, le handball, le tennis, le tir à l'arc et le volley-ball.....
Stades et terrains d'extérieurs thumb|left|Stade René-Hologne Certains complexes sportifs vésuliens sont dotés de terrains d'extérieur. Un terrain synthétique de football., un terrain stabilisé de football à 9. et un terrain de basket. sont situés dans le complexe sportif Michel-Roy. Le complexe sportif de Pontarcher comprend deux terrains d'extérieur : un terrain en gazon pour la pratique du rugby. et un terrain stabilisé pour la pratique du football à 7..
Construit dans les années 1920 et modernisé en 1986, le stade René-Hologne est un stade omnisports constitué d'un terrain de football honneur en pelouse synthétique, d'une piste d'athlétisme de , d'une tour de chronométrage, de quatre mâts d'éclairage de , d'une petite tribune de assises et d'une grande tribune de plus de assises (tribune honneur construite en 2006 sur les plans de l'architecte Philippe Thouveny) ; en tout, le stade à une capacité de plus de . Le stade est localisé au sein d'un complexe sportif comprenant un autre terrain synthétique de football et un terrain en herbe pour les lancers d'athlétisme....
Quatre terrains multisports sont répartis dans les différents quartiers de la ville : aux Rêpes., aux Pierres-Vives., au Montmarin. et au Grand Grésil..
Installations nautiques thumb|Le grand bassin du parc aquatique du Ludolac. La ville de Vesoul possède également des équipements sportifs aquatiques tels qu'une base de voile, créée en 1981, située sur la rive ouest du lac de Vesoul - Vaivre. La base de voile se compose de trois bâtiments d'une surface totale de . Elle est fréquentée par des associations sportives ainsi que des écoles. Elle dispose de plusieurs équipements pour les activités de voiles qui sont gérés par le Club Nautique Haut Saônois Vesoul...
Le Ludolac est un parc aquatique situé dans la zone de loisirs du lac de Vesoul - Vaivre. Ouvert le , le parc couvre une superficie de et . On y trouve un bassin de , un toboggan de de haut et de de long, des bassins à bulles et une pataugeoire, totalisant une surface de pour un volume total d'eau de ...
Une piscine de type Caneton est localisée à Vesoul : construite en 1977, elle dispose d'un bassin d'intérieur de et deux bassins extérieurs ainsi qu’une pataugeoire...
Il est aussi à remarquer qu'une piscine abritant un bassin de natation de sur et un bassin d'apprentissage de sur se trouve à Noidans-lès-Vesoul....
Circuits et autres aires de pratiques Quelques circuits, où se déroulent diverses courses d'automobiles ou de vélos, sont dénombrés dans l'agglomération. L'unité urbaine compte un circuit de sport automobile : le « Circuit de la Vallée » situé à Pusey, à au nord-ouest de la préfecture haut-saônoise. La piste principale mesure plus d'un kilomètre... La commune compte aussi une piste de BMX nommée « Piste Marcel-Dupalut », d'une surface totale de ... De même, un terrain de moto-cross créé en 1950, où se déroule d'importantes compétitions sportives, est localisé sur le plateau du Sabot de Frotey..
L'agglomération vésulienne totalise environ d'aménagement cyclable, permettant ainsi aux sportifs de pratiquer le cyclisme aisément et en sécurité.. Il existe deux voies vertes franchissant l'agglomération : le Chemin vert (), reliant Vesoul à Loulans-Verchamp. et la Trace du Courlis (), reliant Vaivre-et-Montoille à Chemilly..
L'aérodrome de Vesoul - Frotey est utilisé tel un équipement sportif puisqu'il est géré par l'aéroclub de Haute-Saône, qui propose diverses activités sportives aériennes...
On trouve à Vesoul un vaste skatepark de avec sol en bitume : le « Skatepark Peterhansel », nom donné en hommage au pilote natif de la commune. Le skatepark est constitué d'une pyramide en béton, d'un mini quarter, d'une table avec un rail et des courbes, d'une mini rampe impraticable en roller, d'un wall, d'un spine et de curbs...
La ville dispose également de deux boulodromes : le boulodrome du Stade, s'étendant sur et équipé de 16 couloirs., et le boulodrome de Pontarcher, couvrant une aire de et doté de 9 couloirs..
thumb|center|upright=3|Des bandes cyclables sont présentes dans de nombreuses zones de la ville. Ici celles du jardin anglais.
Clubs et associations En 2015, la commune compte plus de licenciés dans pas moins de de sport. La ville offre un large panorama de disciplines (84 différentes)Données extraites du Guide des Sports de la ville de Vesoul de l'année 2013-2014.
De plus, la situation géographique particulière de la commune, son environnement (collines, lac, falaises...) permet la pratique de nombreux sports (randonnée, aviron, alpinisme...).
Sports collectifs Parmi l'un des plus réputés, on peut notamment citer le Football Club de Vesoul, club nommé « Vesoul Haute-Saône Football » jusqu'en 2014, à la suite d'un dépôt de bilan. L'équipe première évoluait, pour la saison 2013-2014, en championnat de France amateur de football. Fondé en 1917., le club s'est fait remarquer par deux fois en coupe de France : lors de l'édition 2000-2001, le club est alors éliminé en de finale par l'AS Monaco, équipe de Ligue 1., puis lors de l'édition 2009-2010 durant laquelle le club réalise son plus long parcours en coupe de France en se hissant en , avant d'être éliminé par le Paris Saint-Germain.. À domicile, le Football Club de Vesoul effectue ses matchs au stade René-Hologne. De 1986 à 1995, le club fut présidé par Alain Joyandet, maire de Vesoul de 1995 à 2012..
Créé le , le Cercle sportif Vesoul Haute-Saône fait également partie des importants clubs vésuliens.. Pour la saison 2013-2014, l'équipe première féminine évolue en Nationale 1 et l'équipe première masculine en Nationale 2.. Le club exerce principalement au gymnase Jean-Jaurès de la maison des associations.