Dès 1848, on entreprit la construction des thermes Chambert actuels en remplacement de l'édifice précédent, détruit par un un incendie en 1841. Edmond Chambert, architecte départemental nommé en avril 1845 en remplacement de Gonin, propose un projet dès 1846. Ce dernier ne convaincant pas complètement, Chambert est envoyé en mission d'observation par le préfet, le vicomte de Duchâtel : il visite ainsi des thermes en Allemagne (Aix, Wiesbaden, Ems), en Suisse (Bade), en Savoie (Aix) et en France (Vichy, Néris et le Mont-Dore). Les nouveaux plans qu'il propose à son retour sont grandioses et le devis s'élève alors à 600 000 francs. Il soumet de nombreuses variantes pour la galerie et l'entrée (baies, arcades, fronton...) mais c'est finalement un colonnade dorique interrompue par une grande arcade qui est retenue. Les travaux s'étendent entre 1848 et 1856. Leur disposition initiale est bien connue par la description qu'en fait Lambron en 1860. Le vestibule dessert les bureaux d'accueil et d'administration, les lingeries et leurs chauffoirs. La galerie antérieure (des bains) dessert 9 salles des bains de tailles inégales (avec en tout 100 baignoires) et trois piscines (l'une pour les hommes, l'autre pour les femmes, la dernière (au nord), pour la natation). La galerie postérieure mène aux nombreuses cabines de douches et aux cabines de bains de vapeurs et de massage, qui sont précédées par de petits vestibules et vestiaires. Le grand escalier conduit à une étuve et à un réseau de galeries souterraines. 3 buvettes se trouvent dans la partie sud de la galerie postérieure ; les 15 autres, rassemblées en trois groupes, sont distribuées le long du Promenoir des buvettes extérieur, qui longe l'arrière du bâtiment au pied de la montage.
La destination des salles a fortement varié en fonction de l'évolution des soins mais la distribution de l'ensemble est toujours en place. Autour de 1870, au premier étage, à droite du grand escalier, une salle présentait le plan en relief des Pyrénées de Lézat, transféré par la suite au casino. On pouvait le voir pour un franc ou pour un abonnement saisonnier de deux francs, en même temps que quelques autres curiosités (Luchon-guide 1873, p. 74). Stéphen Liégeard (op. citée p. 71) raconte avec enthousiasme cette visite. Plusieurs salles ont conservé leur décor peint initial. L'édifice a été prolongé sur l'arrière (sur l'emplacement de l'ancien Promenoir des buvettes), sans doute à l'occasion de l'importante campagne de travaux menée par l'architecte Lhomme vers 1884 concernant les étuves et les inhalations.
