D’inspirations architecturales variées, le plan est de style gothique méridional alors que les façades sont de style romano-lombard, dans l’esprit des églises des vallées luchonnaises. Au prétexte que l’ancien édifice est devenu trop petit pour accueillir les curistes et touristes qui se pressent à Luchon, c’est à la demande du Maire Charles Tron que l’ancienne église du XIIème siècle est démolie en 1850 au profit de celle-ci, dont la capacité est de l’ordre de 600 places. Cependant, des vestiges de l’ancienne église subsistent, le principal étant le portail latéral côté nord de style gothique. Monument historique classé, ce portail en marbre blanc de Saint-Béat est orné de coquilles Saint-Jacques sur les 2 bandeaux latéraux, ce qui rappelle que nous sommes sur le chemin de Saint-Jacques de Compostelle. En 1977, des vestiges gallo-romains et d'un cimetière ont été découverts. Quelques sarcophages sont exposés au pied de l’église. Sur le parvis nord, une petite place garde un aspect très villageois avec le presbytère en fond. Le calcaire dont est composée l’église présente la particularité d’être bleuté, veiné de blanc. Le clocher compte 4 cloches : la première de 1596 est classée depuis 1942, 2 autres cloches sont de 1832, la dernière a été fondue en 1923. A l’intérieur de l’église, les fresques sont l’œuvre du peintre Romain Cazes, disciple d’Ingres. Au début de sa carrière, Romain Cazes, offre au curé de Montauban de Luchon 2 dessins empreints d’un profond sentiment religieux. Quelques années plus tard, alors que le peintre est en convalescence à Luchon, l’abbé n’ayant pas oublié le talent de son jeune ami, lui demande d’orner de peintures et de fresques l’église de Saint-Mamet alors en reconstruction. Au vu de la qualité de cette œuvre il est ensuite demandé à Romain Cazes de composer les fresques de l’église de Luchon, suivront celles des Thermes. Après 4 années de travail de 1852 à 1856, ces fresques forment 3 grandes compositions : le Couronnement de Marie, les Litanies de la Saint Vierge et la Divine Liturgie. Le projet de décoration de l’architecte Loupot est de faire de cette église de station thermale une référence Sainte des bienfaits de l’eau. Pour illustrer les œuvres de Cazes, ce sont les luchonnais eux-mêmes qui ont servi de modèle. L’orgue monumentale qui trône à l’intérieur de l’église, est décorée d’anges musiciens et proviendrait d’une église anglaise.
