D'après les matrices cadastrales, le "chalet de l'étang des bains" est construit en 1864. Il doit correspondre au chalet du régisseur de l'établissement thermal. Curieusement, il ne figure pas sur le plan du livre de Grandmougin (1866). Plusieurs documents d'archives permettent de comprendre les aménagements successifs de l'édifice (5 M 164). En avril 1867, deux ailes sont construites par l'entrepreneur Nicolas Grapotte, sans doute d'après les plans de Félix-Hercule Grandmougin, architecte de l'établissement thermal. Des travaux d'aménagements intérieurs sont engagés en 1878. En juin, le nouveau régisseur se plaint à l'administration. Le chalet qui lui sert de maison est en effet trop petit, d'autant plus qu'il doit le partager avec le jardinier avec lequel il ne veut plus faire ménage commun comme le faisait son prédécesseur. Grandmougin décrit le chalet avant les travaux dans son devis du 22 septembre. Le jardinier occupe le rez-de-chaussée, le régisseur l'étage desservi par un escalier à deux rampes mal éclairé. Une bonne peut occuper une chambre mansardée. L'intervention envisagée concerne principalement la cage d'escalier dotée d'un "ciel ouvert" et les poêles. Comme l'établissement thermal appartient à l’État, l'administration envisage de faire appel à Charles Jean-Baptiste Colard, architecte départemental en charge de l'arrondissement de Lure. Grandmougin proteste et se dit victime de ses opinions républicaines. Il tombe malade et meurt quelques mois plus tard, et les travaux sont effectivement réalisés par Colard. Le "charmant petit chalet situé dans le parc" est évoqué dans un guide de 1892. Au milieu du 20e siècle, l'aile sud est agrandie par Paul Giroud (171 J 699). Son intervention s'inscrit dans le cadre de la transformation du rez-de-chaussée de l'édifice en club-house pour le tennis du parc thermal. Deux vestiaires sont aménagés dans l'aile nord, et un bar dans l'aile est. L'extension de l'aile sud, dont rend bien compte la comparaison entre les cartes postales anciennes et l'édifice actuel, permet de créer une remise-atelier. L'extension semble être en béton, comme le montrent les angles du mur pignon sud, alors que le reste de l'édifice est construit en brique et en pierre. Les encadrements de trois baies (fenêtre rectangulaire du rez-de-chaussée, fenêtre rectangulaire de l'étage et oculus du pignon) en pierre de l'ancien mur pignon ont été remployés (fenêtre est du premier étage, fenêtre sud du premier étage et oculus du pignon).