Ванный домик был построен в 1790-х годах. В 1793 году имение приобрел Ф.Г. Орлов, а после его смерти в 1796 году оно перешло к племяннице А.А. Орловой-Чесменской, опекуном которой стал А.Г. Орлов.

Именно в этот период в глубине оврага над Елизаветинским (Екатеринским) прудом было возведено небольшое сооружение, Ванный домик. Павильон, выполненный в классическом стиле, имел высокий купол и террасу, опирающуюся на колонны тосканского ордера. Терраса окружена полукруглой лестницей, ведущей к воде, а боковые части главного фасада, выходящего на пруд, украшены большими полуциркульными окнами с частыми переплетами.

Пруд был проточным и имел выход в Москву-реку. До сих пор через свайную систему Ванного домика проходит значительное количество грунтовых вод.

Согласно некоторым источникам, домик использовался как купальня для царствующих особ, где были установлены роскошные мраморные ванны, наполняемые минеральной водой из целебных источников. Дно пруда также было выложено мрамором.

С начала XX века в Ванном домике находилось кафе "Поплавок", а позже столовая для посетителей ЦПКиО.

Увядание некогда прекрасного павильона началось в 1960-х годах, когда в здании произошел первый пожар, уничтоживший чудесные оконные переплеты и приведший к установке решеток.

К концу 1970-х годов оконные проемы и две из трех дверей были заложены кирпичом, крыша восстановлена, над крыльцом возведен купол, а колонны еще оставались открытыми. К концу 1980-х колонны закрыли металлическими листами.

В какой-то период "моржи" использовали домик и старинный грот поблизости как раздевалку.

После пожара 2003 года частично обрушились колонны, сгорели купол парадного фасада, стропила кровли и внутренние перегородки, был поврежден белокаменный карниз. Здание обшито железными листами и окрашено в зеленый цвет, в таком виде оно находится более десяти лет. Узнать в нем некогда изящный парковый павильон теперь сложно.

Вопрос о реставрации поднимался неоднократно, но специалисты опасаются браться за этот объект из-за сложной гидрогеологической ситуации. Рядом с домиком из склонов оврага бьет около 30 ключей. В домике была старинная дренажная система из керамических труб, но сейчас она нарушена, стены впитывают влагу из почвы, дом трескается и постепенно наклоняется.

Ванный домик является объектом культурного наследия федерального значения.