Successivamente, nel 1737, con la morte dell'ultimo discendente dei Medici Gian Gastone, il Granducato di Toscana passò a Francesco Stefano di Lorena, nel cui dominio venne investito molto sulle terme per valorizzarne le acque e garantire uno sviluppo urbanistico e autoctono adeguato.
I lavori eseguiti furono principalmente la canalizzazione delle acque, la classificazione delle proprietà terapeutiche delle acque e un piano di sviluppo urbanistico.
Le terme divennero quindi note alla nobiltà di tutta Europa a partire dal 1743, quando lo stesso Francesco Stefano ne fece la propria residenza termale estiva.
Il tutto fu completo nel 1749 dove, insieme agli edifici che compongono attualmente le terme, fu eretta la chiesa dedicata ai Santi Ranieri e Luigi Gonzaga.