Le plan de la station thermale, dressé par le géomètre Belvèze en 1822, atteste l'existence d'un hôtel destiné à l'accueil des curistes dès cette période (AD Ariège, 8M22, 1822). De la même manière que le premier bâtiment des bains, cet édifice possédait des dispositions architecturales sobres. Il était composé de vingt-deux chambres et abritait une chapelle (AD Ariège, 5J4, 1821).
L'édifice est modifié au cours des années 1840 par l'architecte départemental de la Haute-Garonne Edmond Chambert (Filhol et alii, 1849, p. 4). Un dessin de l'architecte permet de connaître l'aspect extérieur de l'hôtel après ce réaménagement, qui a vraisemblablement été réalisé avant 1847 (AD Ariège, 2N80, 1847). Lors de cette campagne de travaux une nouvelle construction a été adossée au pignon est du bâtiment primitif. Ce dernier a aussi fait l'objet de remaniements, ce qui a notamment permis d'homogénéiser le traitement des façades. Nettement moins affirmé que sur l'établissement thermal qui est construit au cours de la même période, le style néo-classique se manifeste ici dans le traitement des ouvertures principales, dont les encadrements se composent de piédroits en forme de pilastres couronnés d'une imposte et d'un linteau en plein cintre. D'après la description d'Henri Castillon d'Aspet, l'hôtel réaménagé se composait au rez-de-chaussée d'un grand salon de réunion, d'une salle de musique et de billard ainsi que du salon de la table d'hôte. L'auteur mentionne également l'existence d'une chapelle « parfaitement décorée ». Les appartements et les chambres offraient quant à eux « toutes les commodités et tout le confortable désirables » (Castillon, 1851, p. 28).
Une photographie réalisée vers 1900 montre que le « Grand hôtel » a fait l'objet d'une seconde extension, selon toute vraisemblance dans la seconde moitié du 19e siècle. Adossée au mur pignon ouest du bâtiment primitif, celle-ci reprend les codes architecturaux de l'extension construite dans les années 1840 (organisation en travées, ouvertures principales sous arcs en plein cintre, etc.). Cette campagne de travaux est à rapprocher du regain d'attrait que connaît la station thermale d'Audinac à partir des deux dernières décennies du 19e siècle. C'est aussi dans ce contexte qu'un « grand café (...) attenant à l'hôtel » a été construit au tout début du 20e siècle, comme le mentionne la publicité qui figure dans l'Annuaire de l'Ariège édité en 1906 (p. 982).
L'édifice changea définitivement d'affectation au début de la Seconde Guerre mondiale, la station thermale d'Audinac-les-Bains ayant été réquisitionnée par le Gouvernement de Vichy. Dès l'automne 1941 elle abrite le Centre d'éducation Bayard, puis une école militaire de sous-officiers à partir d'avril 1946. Il est fort probable que des aménagements intérieurs spécifiques aient été réalisés à partir de cette période. Cette occupation est connue par une quinzaine de photographies conservées par l'Établissement de communication et de production audiovisuelle de la Défense (ECPAD). Comme le souligne Théophile Benoît, alors propriétaire de l'ancien hôtel, l'édifice « a subi des dommages pendant la guerre » en raison de ces occupations successives. Il sera partiellement remis en état au tout début des années 1950 (AD Ariège, 482W68, 1953). L'hôtel, de même que l'ensemble du parc thermal, fut vendu à des particuliers en décembre 1955, qui le louèrent dès l'année suivante à la colonie de vacances Sainte Germaine de Toulouse (AD Ariège, 295W7, s.d.). L'aile ouest de l'ancien hôtel aurait ensuite été aménagée en logements locatifs (Henry, 1984, p. 215). Cette partie du bâtiment fut finalement détruite par un incendie en décembre 1976 (AD Ariège, 443W116, s.d.). Depuis, l'ancien hôtel est laissé à l'abandon.
