Les grands thermes sont édifiés en contrebas des anciens thermes de la Reine ou Bagnerolles. C'est un édifice très allongé, de 63 m de long sur seulement 17 m de profondeur, en raison du manque de place au sol. Cette contrainte a été compensée par une distribution répartie sur deux niveaux principaux. Le bâtiment tout en longueur est parfaitement ordonnancé et symétrique de part et d'autre d'un avant-corps central en saillie surmonté d'un fronton triangulaire. Précédé d'un emmarchement, cet avant-corps est percé en rez-de-chaussée et à l'étage par trois travées de portes cintrées ouvrant à l'étage sur des balcons plats. La façade comporte une élévation à deux étages sur entresol, ajourée de manière ordonnancée par sept travées de baies cintrées de part et d'autre de l'avant-corps central. La façade est complétée à chaque extrémité par un avant-corps saillant à trois travées percé des mêmes baies. Le bandeau de section carrée séparant les deux niveaux supérieurs et la corniche moulurée soulignant le bord du toit ainsi que le fronton central accentuent l'horizontalité de l'édifice. Entièrement construits en pierre de taille de marbre de teinte gris-blanc, les grands thermes illustrent le style néoclassique dans tout sa rigueur par la sobriété de la composition, la sécheresse des lignes, la simplicité des baies cintrées qui se répètent avec une parfaire régularité. Tous ces caractères associés à la monumentalité du bâtiment en font un édifice imposant et austère qui tient une place majeure dans l'organisation urbaine de la ville.£Le projet d'établissement thermal publié par Cailloux donne une idée de la distribution initiale. Un grand vestibule occupe le corps central du bâtiment, bordé à gauche par un bureau et à droite par la loge du concierge. Le vestibule permet d'accéder soit au corridor des bains, qui court sur toute l'élévation arrière de l'édifice, soit à l'escalier monumental. Les distributions du rez-de-chaussée et de l'étage sont identiques : le corridor des bains dessert sept cabinets de bains dans chacune des deux ailes, chaque cabinet étant précédé d'un petit vestibule et percé d'une baie donnant sur la façade. A l'étage, une grande salle de réunion occupe le pavillon central, un salon de lecture l'avant-corps nord et une salle de billard l'avant-corps sud. Sous ces derniers se trouvent respectivement les bains ferrugineux (avec une antichambre et deux chambres de repos) au sud et les bains de vapeurs au nord. Les ailes en retour à chaque extrémité et l'espace situé sous l'escalier monumental accueillent des installations techniques (dépôt de linge, chambre de secours, bûcher, décharge, douches, latrines, chauffoir). Au soubassement sont regroupés des bains particulier : bain de Salies, bain des Pauvre, bains du Foulon et bain de la goutte. Les canaux qui captent les sources alimentent deux séries de quatre réservoirs, qui sont adossés à l'élévation postérieure de chacune des deux ailes et depuis lesquels l'eau est redistribuée vers les bains et vers les deux buvettes situées dans le vestibule, au bas de l'escalier.