La question de l'entretien des ruisseaux et canaux du secteur des bains est récurrente dans les archives de la Ville (311 E dépôt 114). Des délibérations à ce sujet sont notamment prises le 27 octobre 1602, le 28 août 1644, le 23 juillet 1690 et le 12 juillet 1693. L'enjeu est important puisque l'accumulation des eaux de ruissellement dans la cuvette de l'établissement thermal menace directement ce dernier. Un canal principal traverse le site du nord au sud, pour se déverser ensuite dans le ruisseau du Morbief. Le 29 avril 1748, la Ville demande à Jean Nicolas Lecomte de creuser, élargir et nettoyer ce canal au-delà de la sortie des bains, c'est-à-dire le secteur sud. D'autres travaux sont nécessaires en amont dans les années qui suivent.

Le franchissement du talus sur lequel est tracé la route de Luxeuil à Saint-Loup (actuelle rue des Thermes) se fait dans un tunnel que les archives ne permettent pas de dater précisément. Il figure déjà sur les plans du 18e siècle. Chapelain (1857) pense qu'il s'agit d'une construction au moins en partie antique ("Un grand canal, dont une partie a aussi été construite par les Romains, passe sous la route de Saint-Loup, pour servir à l'écoulement des eaux des Bains"). Delacroix (1867) le décrit plus précisément ("Dans ce qui nous est conservé des constructions romaines, le principal ouvrage est un bel aqueduc souterrain, qui reçoit encore aujourd'hui les eaux de vidange des bains et le petit ruisseau de la vallée, il est construit en assises alternatives de gros et petit appareil").

Reconstruction du canal au 18e siècle

La reconstruction des bains dans le troisième quart du 18e siècle rend indispensable l'aménagement du canal. Dans ses "Observations sur la nécessité de reconstruire les bains de Luxeuil" non datées, le médecin Claude Nicolas Massey (de Jussey) insiste sur la nécessité de s'occuper d'abord des travaux du canal avant d'engager ceux des bâtiments (C 162).

Section en aval, au sud du tunnel (1758-1761)

Le 23 décembre 1758, l'architecte Bouchet signe le plan de la section du canal située au sud du tunnel. Le 2 janvier 1759, l'intendant autorise la Ville à contracter un emprunt de 6.000 livres pour exécuter les travaux en urgence, dans l'attente de la vente du quart de réserves destinée à reconstruire les bains. Le 20 mai 1759, la Ville signe un marché avec Antoine Bomberg, entrepreneur en bâtiment, qui prévoit la rénovation des "murs de revêtement du canal desdits bains" avec des pierres tirées de la carrière dite de la Saumure. Le 25 mai suivant, un second marché concerne l'excavation et le déplacement des terres. Dans ses "Observations au sujet des nouveaux bâtiments, canaux et promenades des bains de Luxeuil" datées du 1er décembre 1761, l'ingénieur Jean Querret indique que les derniers travaux de cette section du canal sont en cours d'achèvement. Le montant de l'ensemble des travaux entre 1758 et 1761 est estimé par Antoine Vautherin, subdélégué de l'intendant, à un peu plus de 9.000 livres.

Section en amont, au nord du tunnel (1762-1769)

La section en amont du tunnel est la plus délicate à construire, puisqu'il s'agit d'un tunnel qui traverse le futur parc thermal et le futur établissement thermal du nord au sud. Son tracé est fixé dans un plan des fondations des anciens et des nouveaux bâtiments de l'établissement thermal de Luxeuil (vers 1761) de l'ingénieur Jean Querret, sur lequel le sous-ingénieur Jean-Claude Mongenet a indiqué des annotations en 1769. Le devis de reconstruction de l'établissement thermal daté du 10 mars 1761 contient plusieurs rubriques relatives au canal, constituant un montant total de 14 932 livres. En raison de la mauvaise exécution de ses précédents travaux, l'entrepreneur Antoine Bomberg est écarté. L'adjudication est prononcée en faveur de Michel Antoine Tournier, entrepreneur en bâtiment à Besançon, le 20 juin 1762, puis confirmée par le Conseil d’État et signée par le duc de Choiseul le 1er août 1762. Des difficultés semblent s'être présentées au cours des travaux, conduisant le sous-ingénieur et l'entrepreneur à modifier légèrement le tracé initial du canal sous l'établissement thermal, pour une raison inconnue, et surtout à abandonner les deux escaliers d'accès latéraux qui devaient être creusés sous les contre-allées en raison de la dureté de la roche et de la présence d'eau. Deux nouvelles sources sont d'ailleurs trouvées, précisément à cet endroit, les 19 et 20 août 1763.

C'est au cours de la même campagne de travaux qu'est construit le ponceau de la chaussée de l'étang, dont on conserve une coupe longitudinale (C 162).

Travaux de couverture du canal

La partie du canal située au sud du tunnel est acquise, comme l'établissement thermal et son parc, par l’État en 1853. D'après Delacroix (1867), des travaux consistent à rénover la voûte du tunnel existant et à construire une nouvelle voûte au-dessus du cours d'eau ("cette dernière partie, longue de 450 mètres, a été voûtée en 1865 et supporte ainsi une avenue nouvelle pour aborder l'établissement"). En réalité, une partie seulement ("Fosse Pageot") semble avoir été voûtée, correspondant à l'actuelle section nord de l'allée des Romains. De l'architecte Félix-Hercule Grandmougin, on conserve un devis d'un montant de 15 000 francs (mars 1865) et une coupe de la voûte (juin 1865). L'exécution des travaux est confiée à Benjamin Renaud, entrepreneur à Fontaine-lès-Luxeuil. L'adjudication des travaux date du 10 avril 1865, leur réception du 20 juin 1866.

Le raccordement des égouts au canal conduit à le couvrir sur toute sa longueur au début du 20e siècle. L'entrepreneur Paul Meunier exécute les travaux en 1910 et 1912.

Construction d'un lavoir et d'une blanchisserie

Un ancien lavoir, situé dans le parc thermal, est démantelé en mai 1855. La question des lavoirs est abordée dans une délibération du 6 août suivant (3 O 323). On conserve un projet de Grandmougin d'un lavoir "à exécuter au-dessus du canal de vidange dit de la Fosse Pageot" daté de juin 1862 (5 M 167). Ce lavoir devait sans doute être indispensable pour laver le linge de l'établissement thermal. Il est remplacée par une blanchisserie en 1914 (311 E dépôt 355) dont il ne reste pas de traces.