L'hypothèse de l'exploitation gallo-romaine des sources de Cauterets est avancée dès le 18e siècle, malgré une localisation erronée du site et la connaissance d'un tuyau de plomb ancien (peut-être romain) au niveau de la source Bruzaud (actuellement incorporée aux thermes de César). Les apports archéologiques se précisent à partir de 1945, où M. Lacorre met au jour des tessons de céramique sigillée, une clé gallo-romaine et des murs enterrés considérés alors comme les fondations de cabines de bains romains. Ces découvertes permettent aux chercheurs de l'époque d'affirmer que les installations balnéaires médiévales ont sans doute pris place sur un site antique.£En 1965, un employé des thermes, Ernest Fourcade, met au jour le bassin gallo-romain à 1.100 mètres d'altitude au nord des Thermes de Pauze-Vieux à flanc de montagne. La fouille qui s'ensuit, menée par Roland Coquerel, permet de renseigner plus précisément cette installation antique qui intègre un vaste complexe thermal perceptible dans un rayon de 200 mètres. Parmi les autres objets découverts, une monnaie en bronze du 3e siècle et un autel votif en marbre blanc des Pyrénées datant de la fin de l'Empire romain sont également mis au jour.£Le bassin semble réduit de la moitié de sa capacité au Moyen Âge, puis abandonné à une époque indéterminée, peut-être au moment de l'essor des établissements de bains exploités par le monastère de Saint-Savin.