Bagnères-de-Bigorre est la première station thermale des Hautes-Pyrénées à se voir doter du chemin de fer, et ce afin de relier la préfecture, Tarbes, en 1862. La fête d'inauguration de cette liaison a lieu en grandes pompes le 24 août 1862 sur la place des Coustous, près des thermes et partout en ville, drainant un grand nombre d'étrangers grâce aux ""trains de plaisir"" mis en place par la Compagnie des chemins de fer du Midi depuis Bordeaux. Figurant sur les plans de 1863, le bâtiment des voyageurs est édifié en 1862, parallèlement au pont du chemin de fer bâti par l'entrepreneur Mendiondo et inauguré en juin 1862 avec de grandes festivités.

Ce nouvel équipement entraîne un important projet de structuration et d'’embellissement du quartier avec de nouveaux aménagements routiers pour les besoins de son accessibilité. Il donne lieu en particulier à la création de l’'avenue venant du jardin des Vignaux (actuelle avenue du maréchal Joffre) qui implique une quinzaine d’expropriations et acquisitions de terrains par la commune entre 1863 et 1865 « pour cause d'’utilité publique ».

Dès 1863, Napoléon III et l’impératrice Eugénie transitent par la nouvelle gare lors de leur séjour aux eaux pyrénéennes. L’'arrivée de la voie ferrée contribue de façon décisive au rayonnement national et international de Bagnères-de-Bigorre tout au long du 19e siècle. Sa fréquentation double entre 1858 et 1863, passant de 7 300 à plus de 14 000 curistes payants, c'est-à-dire plus du double de la fréquentation de Cauterets non encore desservie par le train la même année. Le chemin de fer occasionne donc un important accroissement de sa clientèle et par conséquent de ses infrastructures, notamment hôtelières.

L'iconographie ancienne montre l'évolution de l'édifice, en particulier la disparition du clocheton ornant le pavillon central et de l'auvent à lambrequins helvétiques formant une galerie couverte et courant le long des corps de la bâtisse, mais aussi la disparition de la polychromie des façades, peintes d'un badigeon blanc, dans la seconde moitié du 20e siècle. Suite à la cessation de son activité ferroviaire en 1970, le site de la gare fait office de gare routière et d’aire de camping-cars jusqu’en 2016. Le bâtiment des voyageurs est racheté par la commune en 2012 et réhabilité en 2017 afin de lui rendre son cachet originel (notamment ses élévations polychromes) et d’'accueillir un cabinet médical.