Fréquentée au moins depuis le XVe siècle, la source de Saint-Sauveur est dotée d'un petit édifice précaire à l'initiative de l'évêque de Tarbes en 1572, puis ses eaux sont officiellement reconnues pour leurs bienfaits en 1730 où elles sont déclarées sources d'Etat. Vers 1750, la source, surtout connue de la population locale, comprend pour unique aménagement un bassin recouvert d'une voûte partiellement creusée dans la roche.
Dans la seconde moitié du 18e siècle, le site doit sa notoriété grandissante à l'abbé Bézégua qui s'y guérit de pathologies digestives, mais la renommée de la source est également due à son efficacité contre les maladies féminines. L'ecclésiastique y acquiert une maison où il obtient de capter un filet d'eau thermale, qu'il exploite grâce à trois baignoires. L'établissement thermal de Saint-Sauveur résulte de l'unification des bains de Bézégua (qui se voit interdire leur exploitation commerciale) et des bains publics contigus. Certains documents officiels mentionnent encore les thermes Bézégua au début du 19e siècle (notamment au Conseil des Bâtiments civils dans les années 1810). Avant la Révolution, le site se compose ainsi de cinq à sept maisons de bains alimentées par l'eau d'une source sulfureuse unique et totalisant 13 baignoires.
En 1808, l'établissement de bains a bénéficié de nettes améliorations, avec notamment des baignoires en marbre, des cabinets "commodes et bien fermés" et une douche. De nouveaux travaux ont lieu en 1818 pour assainir une pièce avec trois cabinets en leur procurant air et lumière grâce au percement de la voûte (projet de Jean-Baptiste Bonnetat (AN Conseil des Bâtiments civils, F21*2498 rapport de Gauché). A la suite des visites de la duchesse d'Angoulême et de la duchesse de Berry, respectivement en 1823 et 1828, la communauté fait reconstruire un établissement de bains, comprenant 14 baignoires, dont les travaux, estimés à 42 000 francs, sont confiés à l'architecte départemental Pierre Artigala (AN, Conseil des Bâtiments civils, F21*2519 rapport de Gourlier du 13 mars 1828). Ces travaux ne concernent pas le bains de la chapelle. Le rapport juge que la reconstruction va améliorer la disposition générale et l'alignement de la façade. La charpente maçonnée, jugé trop onéreuse, doit être remplacée par du bois en réservant la maçonnerie aux salles où émanent les vapeurs sulfurées. Les travaux sont exécutés entre 1829 et 1832. Etant donné le statut et l'essor des thermes, les projets de travaux sont soumis au Conseil des Bâtiments civils, en particulier entre 1812 et 1835.
En date du 6 mars 1835, un projet d'agrandissement, s'élevant à 38 000 francs, est adopté avec réserve par le Conseil des Bâtiments civils. En 1853, Edouard Filhol, médecin thermal connu pour ses analyses des sources pyrénéennes, effectue une visite et une étude de l'établissement en compagnie de l'ingénieur Jules François, du docteur Fabas, médecin inspecteur de Saint-Sauveur, et de l'architecte Edmond Chambert. Il considère que cet établissement, qui compte désormais 16 cabines de bains, deux douches et une buvette, est "remarquable par son élégance et sa simplicité".
A l'occasion du séjour de Napoléon III et de l'impératrice Eugénie en 1859, l'édifice est de nouveau agrandi, cette fois d'après les plans de l'architecte J. Normand et de l'ingénieur Jules François, lequel effectue plusieurs inspections et dresse divers rapports sur l'établissement entre 1845 et 1864.
L'établissement, qui fait l'objet de remaniements dus à l'architecte Macary en 1930, est inscrit au titre des Monuments historiques en 1975.
Après une importante rénovation en 1995, il est doté d'une extension logée au sein des bâtiments contigus (avec lesquels il communique) et créée par l'architecte Michel Authié en 2004. Dénommé Luzéa, cet espace témoigne de l'adhésion nécessaire au virage du thermoludisme du début du 21e siècle. La modernisation continuelle de l'établissement se traduit notamment par l'installation de nouveaux équipements en 2009, en particulier d'une machine de thalaxion (drainage), qui lui valent le Prix de l'Innovation en 2010.
