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Le lycée est construit à partir de 1961 sur un terrain racheté par la ville en 1956 par l'architecte Jean Papet assisté de Jean Chorvat. D'abord annexe du lycée Montjoux, il accueille des élèves dès 1962 au sein d'un immense chantier. L'établissement devient autonome en 1964 et prend le nom de lycée d'Etat mixte de Palente. A la fin de l'année 1964, la construction de l'ensemble des principaux bâtiments est achevée (un externat, deux internats, un bâtiment administratif, deux gymnases, deux bâtiments qui reçoivent les logements administratifs ainsi que le bâtiment des services communs). C'est en 1970 que le conseil d'administration du lycée décide de le baptiser Louis Pergaud suite à un décret relatif aux hommages publics. L'établissement connaît ensuite plusieurs chantiers d'agrandissement. Le bâtiment qui accueille le centre de documentation et d'information (CDI) voit le jour en 1991 et s'étend en 1996 pour créer une salle de détente et une cafétéria pour les élèves. En 2000, le bâtiment administratif est surélevé d'un étage tandis qu'un revêtement moderne est installé pour couvrir les murs de l'externat. Les bâtiments du lycée Pergaud acccueillent un enseignement général ainsi qu'un enseignement professionnel qui occupe le rez-de-chaussée de l'internat des garçons.

Connu comme étant le plus grand de Besançon, le lycée Pergaud occupe une superficie de onze hectares. Il s'organise autour d'un axe de symétrie qui part de la grille d'entrée, traverse le bâtiment adminsitratif, l'externat ainsi que le Centre de documentation et d'information, et atteint la partie des services communs. De part et d'autre de l'administration, deux vastes cours s'étendent devant l'externat dont la longueur atteint 165 mètres. Deux préaux se situent à chaque extrémité du rez-de-chaussée de ce bâtiment tandis que les quatre étages sont occupés par des salles de classe. Couvert d'un toit en tôle rappelant les portiques qui matérialisent les voies de passage de l'établissement, le bâtiment du CDI occupe une place centrale sur le site. A l'est se trouve le gymnase des filles tandis que celui des garçons demeure à l'ouest. La répartition des internats se distingue de la même manière aux extrémités du site. L'élévation des internats et de l'externat est similaire : construites en parpaings de béton armé, les travées ordonnancées rythment les édifices. Cependant, sur les façades restaurées de l'externat, des travées peintes en bleu alternent avec des travées couvertes d'un revêtement en matériaux synthétiques. Afin de desservir les bâtiments en eau et en éléctricité, une galerie souterraine court sous les bâtiments et les portiques.