Iako se u njenoj neposrednoj blizini na 3,5 km. Nalazi arheološki lokalitet Romulijana - velelepni dvorac rimskog cara Galerija, nema sačuvanih podataka o postojanju banje u antičko doba.

Ipak, nekih antičkih gradnji u vezi sa Gamzigradom svakako je bilo, ali su one na ovim hidrotermama kao i kod mnogih drugih isčezlih termaliteta lociranih i u rečnim tokovima-rečnih banja uništete. Sledeći pisani podatak koji se pojavljuje je u turskim zabeleškama iz 15. i 16. veka. Drugih pisanih podataka za srednji vek nema. Prvi pisani trag je iz 1835. godine, kada je baron Sigmund Avgust Herder, kraljevsko saksonski upravitelj rudokopstva, proputovao Srbiju da bi ostavljene stare majdane, srpske rudokope i uopšte rudno stanje ove zemlje izvidio i ispitao. O prvim kupanjima u Gamzigradskoj banji nema pisanih podataka. Prema predanju, bila su u higijenske svrhe-pranje od nečistoće i prljavštine, a pošto je voda bila topla meštani su u njoj prali veš i druge tkanine.

Verujući u njenu lekovitost narod Timočke krajine je počeo masovno da dolazi u banju i to po "preporuci" onih kojima je banja pomogla, jer lekara u to vreme nije bilo.

Glas o lekovitosti Gamzigradske banje brzo se širio. Tome je pogodovala i saobraćajnica Zaječar - Paraćin koja je prolazila kroz samu banju. Prva kupanja u svrhu lečenja započela su 1890. godine i to u improvizovanim bazenima, čija temperatura iznosi od 38 do 42 stepena, koje su bolesnici i njihovi članovi porodice sami kopali. Od okolne rečne vode bazeni su ogradjivani blatom, kamenjem, koljem i šašom, a preko njih su prebacivane lisnate grane. 

Početkom 20. veka Dr L. Ilić i D. Micić u zvaničnim banjskim izveštajima pišu: "Preko leta su Gamzigradsku banju posećivali samo siromašni seljaci, da se tu leče (kupaju, oblažu mineralnim blatom) ali nešto kasnije dolaze i imućni ljudi, tu podižu šatore i bave se po deset do dvadeset dana. Svet se kupa i noćeva pod vedrim nebom a leži na vlažnoj zemlji.

U izveštaju iz 1922. godine M. T. Leka i njegovih saradnika kaže se "da osim nekoliko koliba na obali i improvizovanih kupatila u Timoku nije imalo nikakve udobnosti".

Eksplotaciju izvora mineralne vode 1927. godine preuzima opština Gamzigrad, a nakon dve godine 1929. godine uprava Moravske banovine. U to vreme u Gamzigradsku banju dolazi i prvi banjski lekar dr. Milivoj Milić, koji podiže svoju vilu, nekadašnju upravu banje.

Počinje izgradnja modernijih i konfornijih kuća zidanih opekom. U ovom periodu se i sama banja popularizuje i sve više postaje banjsko lečilište. Preduzimljivim meštanima u gradnji stanova pritekli su u pomoć i bogatiji ljudi iz okolnih sela i gradova. Tako je podignuta i stara kafana Vražogrnački stanovi", a Timok je premošćen drvenim mostom, a sa druge strane mosta nalazila se kafana "Lipov lad" a nešto dalje su bile sobice "kvartiri", gde su bolesnici odsedali.