Dès le mois de juillet 1657, soit un an après le début de la construction du château, Riquet commande au jardinier de Bonrepos, François Audiguier, la réalisation du "jardin, les ales du bois, les cabinets, les vaisseaux, les niches et les parterres". Mais la datation précise de la grotte-nymphée demeure à ce jour incertaine. Cet aménagement a pu intervenir dès les premiers terrassements extérieurs (autour de 1653) comme aux différentes périodes d'intervention sur les jardins (1657), les terrasses (1673 : avant les plantations de buis) ou sur les murs de soutènement. Il est mentionné, en effet, une intervention de Jean-Mathias, en 1699, pour refaire le mur de soutènement de la terrasse sud. La mode des grottes de fraîcheur, inspirée des modèles antiques, est importée d'Italie en France dès la Renaissance. Au 17e siècle, elles sont un ornement courant du jardin. Sur le modèle de Saint-Germain-en-Laye, les grottes s'intégraient fréquemment, comme c'est le cas à Bonrepos, sous un niveau de terrasse, accompagnées par un escalier à volées convergentes qui mettait en relation deux niveaux de jardin. Aussi la grotte de Bonrepos a-t-elle pu s'inscrire dans le programme des embellissements du jardin prévus par Riquet dès 1657. Dès le 18e siècle, l'évolution des pratiques a fait abandonner ces fabriques de jardin pour raisons d'hygiène, humidité, mousses et moisissures rendant ces lieux malsains. La grotte de Bonrepos s'est vue transformée en voie de circulation entre les cuisines du sous-sol du château et le potager : une porte de communication, datable du 19e siècle, a été percée dans l'abside de la grotte, et le niveau initial du sol rehaussé.