Cette ville a plus de deux millénaires. Le nom de Bagnères-de-Luchon vient d'une part de son thermalisme (bagnères = bains), et d'autre part d'un dieu local (Lixon ou Illixon).
La présence de population est attestée depuis le néolithique au moins à la grotte de Saint-Mamet. La présence de Cromlech atteste aussi une occupation très ancienne.
En 76 av. J-C, Pompée, de retour d'une expédition de maintien de l'ordre en Espagne (où il fonde notamment la ville de Pampelune qui porte son nom), s'arrête dans la région et fonde la ville nouvelle de Lugdunum, où se rassemblent les tribus convènes éparses (convènes = regroupés, rassemblés) ; c'est la future Saint - Bertrand-de-Comminges.
Un de ses soldats, atteint d'une maladie de peau, vient s'immerger dans les eaux thermales de Luchon, et de ses bains « onésiens » dont il découvre les vertus thermales. Au bout de 21 jours (durée traditionnelle et toujours actuelle d'une cure), il en sort complètement guéri.
En 25 av. J-C, Tibère Claude fait creuser trois piscines et développe les thermes. Les thermes s'enorgueillissent dès lors de la peu modeste devise « Balneum Lixonense post Neapolitense primum » (les thermes de Luchon sont les premiers après ceux de Naples) qui est toujours aujourd'hui celle de la ville. Jules César parle de la région dans ses « Commentaires ».
Les invasions dites barbares (notamment des Goths et des Wisigoths) passent par la région, ainsi que celles des Maures, venant du sud et pas encore arrêtés à Poitiers. Les populations se réfugient dans les vallées hautes du Larboust ou d'Oueil en abandonnant en partie la vallée. Des traces de ces invasions subsistent dans certains mythes et légendes locales.
Charlemagne, Gaston Fébus donnent à la région un statut particulier de marche frontière avec une certaine autonomie, entre France et Espagne.
Le Moyen age est, comme partout, secoué par des famines et des épidémies de peste. En revanche, la région, excentrée, est relativement épargnée par la Guerre de cent ans et par les guerres de religion liées au catharisme et à la Réforme. Les populations restent fidèles à un catholicisme « adapté » et bien peu orthodoxe, que les évêques de Saint-Bertrand mettront des siècles à reprendre en main : prêtres vivant en communautés, parfois armés et mariés, peu éduqués et mal formés, extorquant des messes funéraires payées sous forme de repas dûment arrosés, cadets plus fidèles aux intérêts de leur Maison d'origine (la famille, la casa pyrénéenne) qu'à Rome...
En 987, le village de « Banières » et ses thermes sont décrits comme assez prospères, autour de son église. À la Toussaint a lieu une foire importante, qui n'a cependant pas la renommée de celle de Saint-Béat, qui profite davantage du commerce avec l'Espagne.
Vers 1200, l'ordre des Hospitaliers de saint jean de jérusalem installe une commanderie à Frontés, entre Montauban et Juzet-de-Luchon. L'objectif est de garder le passage vers la montagne, de ce chemin secondaire de Saint Jacques de compostelle et d'organiser des hospices pour les pèlerins et les commerçants, qui risquent leur vie en hiver. La création du bâtiment de l'hospice de france date de cette époque et est la seule trace qui subsiste des Templiers. L'ouverture du port (col) de Vénasque est, quant à elle, postérieure.
Commence alors une lutte continue de plusieurs siècles entre les Templiers et les populations guidées par leurs prêtres. L'objectif devint rapidement plus économique que religieux et il n'était pas question de partager les impôts. Finalement, l'ordre abandonna la région.
Il y a toujours eu très peu de nobles dans cette région où la paysannerie a toujours lutté pour sa survie. Les anciens traités de Lies et Passeries associaient les populations des deux versants de la montagne par des accords de libre circulation et de libre échange, même au cas où les royaumes auraient été en guerre. Un boycott un peu soutenu aurait en effet facilement décimé les populations. Ces traités étaient systématiquement renouvelés et imposés aux rois comme aux évêques. Une forme de représentation populaire élue, les consuls, existait. On a ainsi pu parler de républiques pyrénéennes.
Les rois de France cherchent à mettre un terme à cette situation qui leur paraît anormale.
En 1759, le baron Antoine Mégret d'étigny, intendant de Gascogne, est envoyé à Luchon. Il commence par créer une route carrossable, à coups de corvées et d'expropriations. Il est obligé de faire appel à une compagnie de Dragons pour tenir la population en respect, peu habituée à un traitement aussi autoritaire. En 1761, il réorganise les thermes et leur donne les bases de leur futur essor. En 1763, il fait venir prendre les eaux au maréchal, duc de Richelieu, qui reviendra en 1769 avec une grande partie de la Cour. La station thermale est lancée. Il développe également l'exploitation forestière, capitale pour fournir du bois pour la marine et du charbon de bois pour les forges. Il meurt en 1767, à l'âge de 47 ans, ruiné et disgracié.
Son successeur donnera son nom aux allées d'Étigny, principale artère de la ville, et une statue élevée en 1889 à son effigie se trouve toujours placée devant les Thermes.
La Révolution et l'Empire ont peu d'impact à Luchon.
De nombreux visiteurs célèbres viennent ensuite à Luchon, attirés par la vogue des eaux thermales pyrénéennes, lancée par l'impératrice Eugénie, ou les débuts du pyrénéisme par le comte Henry Russel. Lamartine, josé - maria de Heredia (qui résida aussi dans un village non loin de Luchon, Marignac ; c'est là qu'il s'inspira du Pic du Gar pour un des poèmes de son recueil Les Trophées), le prince Louis Napoléon Bonaparte, le prince Impérial (fils de Louis Napoléon Bonaparte), Edmond Rostand, Gustave Flaubert, Guy de Maupassant, Octave Mirbeau, stéphen Liegeard, Sa Majesté Moulay Mohammed (futur Mohammed V du Maroc), Sa Majesté Alphonse XIII d'Espagne, Sacha Guitry, Francis Carco, Mauriac comptent parmi ces hôtes les plus illustres.
L'arrivée du train en 1873, la construction du casino en 1880 développent encore la popularité de la ville où des touristes huppés et cosmopolites ne tardent pas à affluer, jusqu'aux années folles. Les acquis sociaux (congés payés puis sécurité sociale) démocratisent ensuite la population touristique.
Des installations Hydro - électriques sont installées progressivement au début du XXème siècle.
Le Tour de france cycliste fait de la ville une de ses étapes obligées depuis ses débuts.
L'ouverture de l'hôtel d'altitude de Superbagnères(travaux finis en 1922), relié par un train à crémaillère et aujourd'hui par un télécabine, complète la ville thermale par une station de sports d'hiver . Aux jeux olympiques d'hiver de 1968 Ingrid Lafforque défend les couleurs de la station. Sa sœur jumelle Britt Lafforque a un palmarès non moins éloquent au championnats du monde de ski Alpin.
Un golf et un aéroclub font bien mériter à la ville son surnom de Reine des Pyrénées donné par Vincent de Chausenque en 1834 dans son ouvrage Les Pyrénées ou voyages pédestres
Enfin, l'eau minérale de Luchon est commercialisée depuis quelques années dans toute la France.