1907 gründete Dr. med. Hans Siegrist den Aargauischen Heilstätteverein, die zur Trägerorganisation der Heilstätte Barmelweid wurde. Die Einweihung fand am 30. Juni 1912 statt und die Inbetriebnahme am 1. Juli 1912. Die Klinik startete mit 69 Betten für Tuberkulose-Kranke. Die erste Erweiterung 1914 brachte einen Ausbau auf 90 Betten und eine Kinderabteilung mit 12 Betten. Nach dem Neubau eines Kinderhauses 1930/31 verfügte die Barmelweid über insgesamt 175 Betten, 55 davon für Kinder.

1951 bis 1956 folgten weitere Um- und Neubauten; hinzu kamen Wirtschaftsgebäude, Personalhäuser, Werkstätten und eine thoraxchirurgische Station. Ab 1959 hatte die Barmelweid 205 Betten, und es startete der Aufbau einer Abteilung für psychosomatische Medizin.  Der Verein passte 1961 den Zweckartikel an und stimmte der Umwandlung des Tuberkulosesanatoriums zu einer Mehrzweckheilstätte zu. 1963 musste eine Krankenstation wegen Personalmangels geschlossen werden. Ab 1966 gab es eine medizinische Abteilung mit 42 Betten und eine Tuberkuloseabteilung mit 139 Betten.  Wegen starken Rückgangs der Kindertuberkulose konnte 1968 die Kinderabteilung aufgehoben werden. 

Die Neuorganisation 1977 führte zur Umstrukturierung der Mehrzweckheilstätte zur pneumologischen Klinik Barmelweid.  1989 erhielt die Klinik einen neuen Leistungsauftrag für die Abteilungen Pneumologie, medizinische und kardiale Rehabilitation und Psychosomatik. Ab 1991 folgte der Auf- und Ausbau des Schlaflabors.

Mit der Einweihungsfeier 2000 wurde der neue Spitaltrakt bezogen. Der Heilstätteverein wurde 2001 umbenannt in den Verein Barmelweid und zwei gemeinnützige Aktiengesellschaften gegründet: Die Klinik Barmelweid AG und die Betriebe Barmelweid AG. 2005 beschloss der Regierungsrat des Kantons Aargau den Planungskredit, um das Krankenheim Laurenzenbad (Erlinsbach) ins ehemalige Kindertuberkulosehaus der Barmelweid zu zügeln. Aus Anlass des 100-Jahre-Vereinsjubiläums initiierte 2007 der Verein Barmelweid den Naturpark Barmelweid. 2009 fusionierten die Vereine Barmelweid und Laurenzenbad und 2011 konnte das Pflegezentrum Barmelweid eröffnet werden. 2012 feierte die Klinik das 100-Jahre-Jubiläum mit vielfältigen Aktivitäten.

Die Nachfrage nach Betten in der Abteilung für psychosomatische Medizin wuchs weiterhin konstant. So eröffnete die Barmelweid 2013 im Haus Geissflue eine neue Bettenstation. 2014 kamen die beiden neuen Leistungsaufträge für die Geriatrische und Internistische Rehabiliation dazu. Der Platz wurde knapp, die Wartelisten länger. Mit dem öffentlichen Architekturwettbewerb nahm die Barmelweid das Projekt eines neuen Bettenhauses in Angriff.  Anfang 2014 entschied sich die Jury für das Siegerprojekt «Oscar».  2014 stand für die Barmelweid auch  im Zeichen einer grundlegenden Strukturreform. Die bisherige Betriebe Barmelweid AG wurde als Holdinggesellschaft unter dem Namen Barmelweid Gruppe AG weitergeführt. Sie hält sämtliche Aktien der beiden Tochterunternehmen Klinik Barmelweid AG und Pflegezentrum Barmelweid AG. Zudem wurde die Holding Eigentümerin sämtlicher Liegenschaften der Barmelweid. Die Holdingstruktur erlaubte es, die Führung zu vereinfachen, den administrativen Aufwand zu reduzieren und die Erweiterungsbauten zu finanzieren.

Im Oktober 2015 starteten die Bauarbeiten zum Projekt «Oscar».  Zuerst mussten verschiedene Infrastruktursanierungen vorgenommen werden. Die neue, hocheffiziente Energiezentrale war ein wichtiger Meilenstein, bevor im Sommer 2016 mit dem Bau des eigentlichen Bettenhauses gestartet werden konnte. Seit Frühling 2019 beherbergt das neue Haus A die ersten Patientinnen und Patienten. Und im Sommer 2021 wurde die neue Barmelweid feierlich eröffnet.