Les sources thermales de Luchon sont connues au moins depuis l'Antiquité et étaient exploitées par les Romains sous le nom de "thermes onésiens" (Strabon). Elles jaillissaient à 700 m du bourg. Divers vestiges de ces thermes ont été mis à jour lors des reconstructions du 19e siècle.
Les aménagements inachevés du 18e siècle.
Au milieu du 18e siècle, les thermes consistent en une simple piscine commune à flanc de montagne, dont l'accès depuis la ville est malaisé car il se fait par un petit sentier à travers champs. Les bains étaient alors communaux, exploités par un fermier. A côté se trouvaient des bains privés, les thermes Laffont-Lassalle. Lors de son intervention à Luchon, Etigny crée les allées qui relient les sources à la ville mais quitte sa fonction avant d'avoir pu construire un nouvel établissement thermal. L'intendant Fournier de Lachapelle fait commencer des travaux en 1784, selon les plans de Le Bourgeois. Les plans prévoient d'installer le nouvel établissement dans l'axe de l'allée, ce qui l'éloigne des sources auxquelles doit le relier un aqueduc. Le projet, contesté par la Socièté Royale de Médecine et l'Académie d'Architecture, et dont le financement est incertain, est interrompu par la disgrâce de l'intendant puis par la Révolution. Les matériaux (notamment le marbre) des éléments déjà en place sont pillés)
Les bains de la Reine (1805-1841)
Le projet d'établissement est relancé sous l'Empire par le préfet Richard. L'ingénieur en chef du département, Laupiès, dirige les travaux. La première pierre est posée le 3 décembre 1805 et les bains de la Reine ouvrent dès 1807 même s'ils ne sont vraiment achevés qu'en 1815 (car l'entrepreneur, Bertrand Salles, avait également un bail d'exploitation pendant 10 ans et menait les travaux en fonction de l'entrée des recettes). L'édifice est reculé par rapport au projet précédent, pour le rapprocher des sources. Le plan, carré avec cour intérieur, distribue les cabines de bains sur les galeries du rez-de-chaussée. Les salons et chambres prévus à l'étage ont été abandonnés, les émanations sulfureuses ne se prêtant pas à de tels aménagements. Plusieurs projets d'extension (voire de reconstruction) sont prévus pendant la Restauration ; la question est tranchée par l'incendie qui ravage l'établissement en juillet 1841.
Le grand établissement Chambert
Les plans proposés par Abadie (ingénieur hydraulique) et Gonin en 1842 n'aboutissent pas. En 1845, Gonin, déchu de son mandat, est remplacé par l'architecte départemental, Edmond Chambert, qui soumet un projet en 1846. Les travaux durent de 1848 à 1856 : Luchon possède alors un splendide édifice néoclassique. Une plantation en quinconces est disposée dans l'axe de la façade tandis qu'un jardin à l'anglaise se développe sur le côté. La municipalité, après avoir rassemblé toutes les sources (achat de la source du Rocher en 1827, des bains Soulerat en 1858), améliore et étend le domaine thermal : Buvette du Pré en 1864 et Pavillon du Prince impéral en 1867 (reconstruit à l'identique après un incendie en 1888) tous deux oeuvres de Chambert, salle de humage en 1876, établissement de vapeurs en 1884-86, bains émollients en 1895 (architecte Thillet), achat de la source de Ravi en 1909. Les humages sont agrandis en 1913 par Guittard (architecte) et Pierre Souviron (ingénieur).
Les grandes extensions du 20e siècle.
Un premier vaporium est construit entre 1926 et 1929 qui est reconstruit et étendu en 1969 sur les plans de Paul de Noyers entraînant la destruction de la Buvette du Pré.
L'ancien Pavillon du Prince impérial avait pour sa part été remplacé par un édifice aux lignes modernises par Georges Appia et Bertrand Artigala vers 1953.
Entre 2022 et 2024, une campagne de rénovation a concerné l'ensemble des installations et s'est accompagnée de la construction d'une nouvelle extension dédiée au thermoludisme pour un coût de 42 à 44 M d'euros. Le projet de l'architecte Clara Ristorto (Agence Coste Architecture) a repris en façade du nouveau bâtiment les claustra de béton du vaporarium.
