Le site de Cauterets se développe à partir de la découverte des sources du Mont Peyraute (actuel quartier de Pauze) durant l'antiquité, mais surtout à partir du Moyen Âge sur l'impulsion du monastère de Saint-Savin. Un premier village (Cauterets Dessus) se développe ainsi à flanc de montagne, mais il est déplacé vers la rive du gave en contrebas au 15e siècle (Cauterets Debat). Les bains de Cauterets acquièrent rapidement une renommée internationale et attirent l'aristocratie et des baigneurs venus de France et de la péninsule ibérique. L'histoire de la station est alors marquée par les séjours de Marguerite de Navarre, dont les récits de son Heptaméron, publié à titre posthume, prennent place à Cauterets.
Au 17e siècle, les sources du groupe sud, dans le quartier de la Raillère, sont exploitées et continuent d'acquérir progressivement une importante renommée. La question de la canalisation des sources vers le village se pose sous la Révolution puis elle est concrétisée au début des années 1800 à l'initiative du maire Bruzaud. Ces nouvelles infrastructures permettent la modernisation de la station, la reconstruction de son patrimoine bâti ainsi que la construction des thermes de César et des Bains du Rocher (entre autres).
Au 19e siècle, la cité cauterésienne contribue de façon décisive à l'essor de la villégiature thermale. Son activité intense entraîne une dynamique de développement avec l'urbanisation de la rive gauche du gave, traduite notamment par l'aménagement du boulevard Latapie-Flurin et de l'avenue du Mamelon, où sont édifiés nombre de grands hôtels et des villas de plaisance.
Les grands sites naturels constituant également un atout majeur de la station, la montagne en tant que telle fait l'objet d'une exploitation spécifique dès le 19e siècle, impliquant des excursions et la construction d'hôtelleries, puis, durant les Trente Glorieuses, la création de téléphériques et télésièges rendant accessibles, en fonction des saisons, les sites dédiés aux sports d'hiver ou à la randonnée.
La ville de Cauterets a été érigée en station hydrominérale et climatique par un décret du 9 avril 1919. Les chiffres du produit de la taxe de séjour sont connus entre 1923 et 1932 (avec un trou en 1928) grâce aux Annales des établissements thermaux, cercles, casinos, eaux minérales, à la Gazette des eaux (1er mai 1925) et à l'Avenir de Luchon (10 mars 1929) ; ils permettent d'estimer la fréquentation de la station (même si de nombreux visiteurs sont exemptés) et de la situer par rapport au corpus de la petite vingtaine de stations hydrominérales et climatiques de l'époque. Ce produit pour Cauterets s'élève à 81 898 en 1923 (6e, entre Luchon et Bagnères-de-Bigorre), descend à 65 910 en 1924 (6e), puis remonte fortement entre 1925 et 1929 : 89 545 en 1925 (4e), 116 650 en 1926 (6e), 112 385 en 1927 (6e) et surtout 167 467 en 1929 (3e). Contrecoup probable de la crise économique il baisse au début des années 1930 (129 410 en 1930 (5e), 129 417 en 1931 (4e), 114 937 en 1932 (3e)). A cette date, Cauterets dépasse Luchon mais est largement distancée par Aix-les-Bains et Évian.
