Le premier bâtiment de bains est construit au milieu des années 1840. Il abritait à la fois les cabinets, des chambres pour loger les malades, une table d'hôte et des espaces dédiés aux divertissements (Castillon, 1851, p. 255). Le petit établissement est agrandi dès 1852 pour accroître le nombre de baignoires (AD Hautes-Pyrénées, 427 E DEPOT 15).
Au milieu des années 1870, les trois investisseurs toulousains qui acquièrent le site entreprennent une importante campagne de construction. C'est à ce moment-là qu'un nouvel établissement thermal est bâti en retour sur le jardin. Il est entièrement dédié aux soins thermaux et abrite dix-neuf cabinets de bains (La Gazette des Pyrénées, 28 juin 1877).£Une carte postale conservée aux archives départementales de Haute-Garonne, dont la photographie aurait été réalisée entre 1905 et 1918, montre qu'un autre bâtiment a été construit dans le prolongement de l'établissement thermal. Il abrite de nouvelles installations telles que les « grandes douches » (AD Haute-Garonne, 26 Fi PYRENEES 63). Compte tenu des dispositions visibles sur la photographie, notamment la forme des menuiseries des portes, cette extension a vraisemblablement été bâtie à la charnière du 19e et du 20e siècle.
Une campagne de travaux est entreprise au milieu des années 1920 suite au rachat de l'ensemble immobilier par un industriel de Seine-et-Oise. C'est lors de ce réaménagement que l'hôtel des Thermes est démoli et que l'établissement thermal est partiellement détruit. Ces destructions sont portées sur la matrice cadastrale en 1930. Dès lors celle-ci ne mentionne plus l'existence d'un hôtel sur le site thermal mais simplement la présence de « bains » (AD Hautes-Pyrénées, 427 E DEPOT 17). Le nouvel établissement thermal est construit à l'emplacement de celui bâti dans les années 1870. À l'exception de l'avant-corps central qui a été conservé, la nouvelle construction se caractérise par des formes modernes en rupture avec les édifices détruits.
Cet édifice a fait l'objet de remaniements, vraisemblablement au milieu du 20e siècle. Le fronton triangulaire de l'avant-corps central a été déposé lors de la création du second étage. L'ensemble des fenêtres des parties latérales a aussi été remanié lors de ces travaux.