Faisant partie du groupe sud, la source de la Raillère est découverte vers 1630 par des bergers venant faire paître leur bétail à proximité du gave. La source doit son nom à son environnement extrêmement rocailleux; au pied du massif du Péguère. Rapidement, sont aménagées sur le site cinq ou six cabanes équipées chacune de deux baignoires en bois. Les installations sont décrites par le docteur Jean-François de Borie dans son ouvrage sur les eaux de Cauterets paru en 1714, puis Théophile de Bordeu en fait l'éloge dans ses travaux sur les sources pyrénéennes en 1746 où il préconise la construction d'un hospice. Face au développement du site, l'intendant d'Etigny commande l'aménagement d'une route reliant le bourg de Cauterets à la Raillère en 1755, laquelle sera prolongée jusqu'au bain du Bois en 1809 et prendra le nom de Cours de la Reine. Une première analyse des eaux est réalisée par Montau, apothicaire-major à Barèges. Elles sont à nouveaux analysées par Campmartin en 1768.

Cette initiative contribue à l'essor du site thermal qui reçoit d'illustres personnalités mais demeure pourtant vétuste puisqu'il ne comprend à l'époque que quelques baraques en bois et un bâtiment en pierres nommé Bain Richelieu car il aurait logé le duc en 1761. Au regard de son "misérable état", un bâtiment modeste y est d'ailleurs reconstruit à la fin du 18e siècle à l'initiative du duc de Choiseul, qui avait apprécié y prendre les eaux. Les bains de la Raillère acquièrent davantage de notoriété encore sous l'influence du docteur Raymond Castetbert qui, dans son traité sur les eaux cauterésienne en 1762, évoque les vertus de leurs eaux mais aussi leur facilité d'accès grâce à la nouvelle route.

Au début du 19e siècle, le site se compose du bâtiment en pierres et de deux cabanes équipées de trois baignoires chacune, dont l'une est détruite par un incendie en 1806 et reconstruite provisoirement à la demande du préfet Chazal. Dès 1810 puis à compter de 1816 sur l'impulsion du préfet Milon de Mesne, plusieurs projets élaborés par divers architectes et ingénieurs (Siret, Guillot, Rouant, Moisset) sont soumis au Conseil des Bâtiments civils afin de concevoir un édifice à la hauteur de sa renommée et de l'afflux de baigneurs. C'est finalement celui de l'ingénieur Siret qui est validé par l'institution en 1816 et sera exécuté entre 1817 et 1828. Ce projet consiste en la construction de deux ailes de part et d'autre du bain Richelieu, démoli plus tard, tandis que l'exécution des travaux et la concession de l'établissement sont confiés par adjudication à Louis Pêche puis Pierre François Darripe. Ce bâtiment, "monument thermal moderne" avec son vestibule de marbre et ses installations médicales innovantes, devient alors le principal établissement de bains de Cauterets tout au long du 19e siècle. Même les chevaux du Haras de Tarbes y sont accueillis pour les soins vétérinaires et une écurie leur était dédiée à côté des bains (Moinet, P. 10 et 122). Entre 1856 et 1863, il subit d'autres travaux sous la direction de l'ingénieur Jules François et de l'architecte Balagnas et se voit doter de quarante sièges de baignoire en marbre fournis par l'entreprise Géruzet de Bagnères-de-Bigorre.

En raison d'un désastreux éboulement survenu en 1884, l'établissement est reconstruit entre 1887 et 1888 d'après les plans de Jules Gavillon, directeur de la Société des eaux de Cauterets. C'est de ce chantier que date la charpente métallique, témoignant du progrès de l'architecture et de l'ingénierie au tournant du 19e siècle. De part et d'autre du vaste vestibule abritant une fontaine buvette monumentale, se déploie les espaces de gargarismes pouvant accueillir jusqu'à 200 malades. Au nord, est édifiée en 1888 une annexe destinée à recevoir les eaux de la source du Bois. Le succès de l'établissement, toujours aussi fréquenté, justifie la création de la ligne de chemin de fer entre le bourg et la Raillère avec la construction d'une gare spécifique à quelques mètres.£

L'édifice fait l'objet de remaniements en 1937 sous la direction des architectes Jules et Fernand Noutary, avec notamment l'annexe sud. A l'époque, le complexe se compose des Bains de la Raillère (pavillon central), du Pré Nouveau (aile nord) et de la Vieille Raillère (aile sud). Malgré son succès et son entretien régulier, l'établissement doit cesser son activité dans les années 1980 en raison du risque d'éboulement. Propriété de la commission syndicale de la vallée de Saint-Savin depuis le 17e siècle, il est vendu en 2019 à un privé projetant d'y installer un centre d'art.