La source du Bois est connue et fréquentée depuis vraisemblablement le Moyen Âge. En 1809, un chemin en lacets, nommé « Cours de la Reine », est ainsi aménagé depuis le site de la Raillère afin d'y accéder plus facilement. Dans un premier temps, l'exploitation de cette source donne lieu à une construction rustique qualifiée de « hutte », en pierres sèches et recouverte de planches et de chaume.
Etablissement thermal le plus éloigné sur la route du pont dEspagne, et propriété de la commission syndicale de la vallée de Saint-Savin, les Bains du Bois sont décrits dans un « état déplorable » au début du 19e siècle. Ils sont donc reconstruits entre 1827 et 1831 pour environ 20.000 francs par l'architecte départemental Pierre Artigala, dont les plans sont exécutés par l'entreprise de Martin Bordenave établie à Cauterets. Deux extensions latérales, contenant chacune deux cabines de bains, sont ajoutées en cours de chantier en raison de l'important débit des eaux. Des malfaçons dans l'exécution des travaux sont observées dès 1832 par le concessionnaire qui a dû arrêter temporairement le service de bains. Les réparations sont effectuées en 1834 par le même entrepreneur.
Malgré des démarches effectuées dès 1856 par le syndicat de vallée pour classer l'ensemble des sources de Cauterets, la source du Bois ne figure pas parmi les cinq sources déclarées d'utilité publique entre 1859 et 1866 (Pauze, César, Espagnols, Rocher et Mauhourat).
Suite à une réflexion sur le déplacement de la source depuis 1880 et un rapport du Service des Mines en 1887, l'édifice fait l'objet de plusieurs projets de reconstruction (notamment par Gavillon, le directeur des établissements thermaux), dont certains visant à augmenter sa capacité d'accueil ou aménager une canalisation de la source vers le site de la Raillère. Après des années d'études, il semble simplement doté de deux extensions latérales, puis il est « restauré » (selon les termes du métré définitif) par l'architecte G. Larrieu en 1908 pour environ 38.000 francs, dont les travaux sont exécutés par l'entrepreneur Bernard Poutz.
A l'arrière du bâtiment, une surélévation est réalisée dans les années 1970. La source du Bois, dont l'établissement n'est plus exploité de nos jours, est canalisée vers les thermes des Griffons en 1979.
