Le 24 février 1841, la Ville passe un marché pour la réalisation du décor du théâtre (tant de la salle et du foyer que de la scène), de son luminaire, de l'ameublement et de la machinerie. Le bénéficiaire est le Bisontin Georges Och (1798-?), préféré à Napoléon Sacchetti. Sur la recommandation de l'architecte Jean-Baptiste Martin, Och sous-traite les peintures au peintre et scénographe Victor Chenillon. Tous deux élèves de Ciceri, ils ont déjà oeuvré ensemble au théâtre de La Chaux-de-Fonds (en 1836-1837) et, par ailleurs, Chenillon a aussi travaillé avec Martin. Partisan d'un style néo-Renaissance, ce dernier veut favoriser le décor peint : "Il convient d'éviter autant que possible l'emploi de la sculpture dans la construction de la salle, d'abord par ce qu'elle entraîne à une dépense coûteuse et en second lieu, par ce qu'elle produit toujours peu d'effet à cause de la multitude des foyers lumineux qui l'éclairent dans divers sens et qui font disparaitre les ombres et par conséquent les formes des détails". Il privilégie aussi le carton-pâte : "ce genre d'ornemens étant aujourd'hui en usage dans les théâtres et contribuant beaucoup à en embellir l'effet, j'ai pensé devoir les employer dans ce but et plus encore pour diminuer les frais plus considérables qu'une menuiserie plus compliquée aurait exigés sans produire autant d'effet". Chenillon confie les figures à F. Valbrun et les dorures à Bignon et Mole ; les sources mentionnent également les noms de Derchi ("chargé par Mrs Philastre et Cambon de la décoration récente de la salle de l'opéra"), Adrien Wicart et Charles. Le décor du foyer est aussi soigné car cette pièce doit servir de salle de concert et de bal, pouvant accueillir 250 personnes et un orchestre d'une quarantaine de musiciens. Un désaccord intervient à la fin de 1842 entre Chenillon et Martin qui constate : "L'adjudicataire du décor n'a référé à aucun de mes avis pour l'exécution des peintures de la salle qu'il a faites comme il a voulu" ; il signale des peintures inachevées, la substitution de tons unis à des marbres, l'inexécution des damassés de fond des loges, etc. Le 1er janvier 1843, il reste à poser le parquet et les boiseries du foyer, ainsi qu'à en réaliser les peintures. Le théâtre est inauguré le 4 juillet 1843 mais quelques travaux sont inexécutés, qu'Och s'engage à réaliser, et la réception définitive de la décoration a lieu le 24 mai 1844.

Martin l'a considérablement enrichie au cours de la construction, d'où un surcoût conséquent que constate, dans son rapport du 17 avril 1843, l'architecte voyer André Amoudru : "C'est donc sur la prodigalité de ces ouvrages que l'architecte doit être sévèrement blâmé", tout en ajoutant : "nous ne pouvons nous refuser à reconnaître, que cette prodigalité augmente la richesse du grand foyer, qui pourrait rivaliser avec ceux des théâtres d'une capitale, mais Dole est loin de prétendre à cette rivalité soit par son importance soit par ces ressources et c'est ce que monsieur Martin ne devait jamais oublier".

Une rénovation est effectuée en 1923, lors de travaux d' "appropriation". Après protection au titre des Monuments historiques en 1975 puis en 1996, le théâtre fait l'objet d'une campagne de restauration de 2014 à 2021 sous la direction de l'agence Chatillon Architectes, faisant appel pour la restauration des peintures aux compétences de la société Arts & Bâtiments 63, de Bruno Gelper. Il rouvre le 28 novembre 2021.