La fortification du mont Vireux a débuté au cours du IIIe siècle, puis celui-ci est à nouveau fortifié au Moyen Âge. Un four à pain met en évidence le caractère féodal de la structure. Pendant cette période, trois hameaux se constituent : Molhain et Vireux-Saint-Martin occupent respectivement les rives du Viroin et de la Meuse, au pied des fortifications, alors que Vireux-le-Wallerand prend place sur la rive opposée de la Meuse.
L’église collégiale Notre-Dame-et-Saint-Ermel de Molhain existe depuis l’époque Carolingienne. Elle fut longtemps un lieu de pèlerinage où l’on vénérait les reliques de Saint-Ermel,, qu’elle abrita jusqu’en 1563. Selon la légende, la collégiale aurait été fondée en 752 par Dame Ada, veuve du comte Wibert de Poitiers, dotée de fonds par son cousin Pépin le Bref qui vient alors d’être sacré roi des Francs.