L'ensemble de l'édifice, de dimensions modestes, a été détruit. Chacun des deux pavillons est toutefois bien connu. Le pavillon de la source (buvette dite "salle de dégustation") ouvrait sur l'avenue des sources. Il se présentait comme une petite cour couverte fermée par quatre murs, à la manière d'un patio d'un palais oriental. Au centre, quatre piliers supportaient une verrière qui assurait un éclairage zénithal. Une vasque de plan trilobé se situait près du centre de la cour. Derrière elle, des robinets étaient prévus pour l'embouteillage. Les murs étaient décorés de mosaïques bleues. Deux portes permettaient d'accéder à la cour depuis le second pavillon, qui servait de logement au gardien. Ce dernier comprenait un rez-de-chaussée et un étage carré couvert d'un toit à longs pans en pente douce. L'accès à l'étage se faisait à l'intérieur par un escalier dans-œuvre que complètait un escalier en maçonnerie hors-œuvre contre l'une des façades latérales. Le décor de céramique polychrome correspondait à l'esprit oriental de l'architecture du patio. Le rez-de-chaussée de la façade sud-est était percé de trois ouvertures, une porte et deux fenêtres, couvertes d'un arc outrepassé alternant brique rouge et pierre blanche. Les arcs eux-mêmes étaient inscrits dans un cadre rectangulaire composé de carreaux de céramique à motifs géométriques colorés (gris, bleu et blanc). Le même décor se retrouvait autour de la baie géminée de la façade nord-est. Le reste des murs présentait un parement de couleur blanche. Une moulure en briques rouges, posées en boutisses, courait tout le long des façades, au niveau de la base des fenêtres et sous l'avant-toit. Le recours important au décor de céramique polychrome s'explique sans doute par la personnalité de Marius Desfontaines. Les carreaux de céramique correspondent au modèle n° 47 de la tuilerie Perrusson-Desfontaines de 1910. Quant à la référence à l'Orient, elle témoigne de l’éclectisme qui touche l'architecture des lieux de villégiature à partir du milieu du 19e siècle. Les pavillons coloniaux des Expositions Universelles de 1889 et 1900 ont sans doute été déterminants dans l'adoption du style mauresque. Son adoption dans un bâtiment thermal connait des précédents en France. On peut ainsi rapprocher les pavillons santenois de l'établissement thermal du Mont-Dore (Puy-de-Dôme) de Louis-Charles Ledru et de celui de Salies-de-Béarn (Pyrénées-Atlantiques) d'Adrien Lagarde, et surtout des pavillons des sources du Hammam construits d'après les plans d'Antoine Percilly (1893) à Hauterive (Allier). Il n'existe pas d'équivalent en Bourgogne-Franche-Comté.