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En 1678, le traité de Nimègue réunit la Franche-Comté à la France et Besançon devient capitale régionale. Premier édifice civil construit par décision royale, l’hôpital Saint-Jacques (1686) contient une magnifique pharmacie, conservée dans son état d’origine.
Louis XIV charge Vauban de faire de la ville un des bastions de la France de l’Est. De 1674 à 1688, la ville est ainsi pourvue d’une citadelle.
Des casernes sont édifiées pour abriter les 15 à 20 000 soldats de la garnison. En 1695, les fortifications de la "boucle" sont presque totalement reconstruites. Au XVIIIe siècle, la population double et la ville se couvre de nouvelles constructions. L’église Saint-François-Xavier, ancienne chapelle du collège des Jésuites, est édifiée entre 1680 et 1688. C’est à Nicolas Nicole, élève de Blondel, qu’est due la chapelle du Refuge, achevée en 1745, rare témoin de l’architecture Louis XV à Besançon. Une importante église halle est érigée: Sainte-Madeleine, à partir de 1746, au débouché du pont Battant, par Nicole. En 1786, est élevée Saint-Pierre, par Bertrand. Un quartier nouveau, d’inspiration néo-classique, est créé au sud-ouest de la ville. Victor Louis participe à l’élaboration des plans de l’Intendance (actuelle préfecture), achevée en 1778. Claude-Nicolas Ledoux donne les plans du théâtre (1778 à 1784), le dotant d’un parterre assis, d’une salle en amphithéâtre sans loges et de la première fosse d’orchestre au monde (détruits dans l'incendie de 1958). Les hôtels particuliers se multiplient et, à la veille de la Révolution, la ville s’est dépouillée de son aspect médiéval.
La conquête française marque une rupture radicale : on passe des formules encore inspirées par la Renaissance à un classicisme rigoureux. Au XVIIIe siècle, la plupart des communautés religieuses reconstruisent leurs bâtiments conventuels. Le bénédictin Dom Duchesne édifie les bâtiments conventuels des dames d'Ounans et des bénédictins ainsi que la Charité. Les façades, les cloîtres sont d'une très grande sobriété. Dans ce classicisme sévère se glissent encore des réminiscences de la Renaissance: le portail de la Charité rappelle par son dessin celui de la chapelle des Carmélites, l'escalier à six colonnes noyaux du couvent bénédictin utilise encore le marbre rose de Sampans. Dans le cloître des Cordeliers, l'ornementation joue avec les différences de traitement de la pierre. De très belles grilles rocaille ferment les deux cages d'escalier. La construction privée est abondante. A l'intérieur de la ville, les anciens hôtels particuliers sont transformés et modernisés. L'hôtel Mailly-Château-Renaud, rue du Parlement, se dote d'un portail monumental, d'une nouvelle façade sur cour et d'un escalier intérieur à jour orné de motifs rocaille. Les hôtels particuliers du nord de la ville sont profondément remaniés et leur jardin agrandi grâce aux terrains gagnés sur les fortifications détruites. Au faubourg des Commards, s'édifient de belles demeures.
Certains ensembles sont bien conservés: l'hôtel situé 1, rue des Commards dont le salon lambrissé orné de trophées d'instruments de musique ouvre sur le jardin ; l'hôtel Malet, agrandi dans la deuxième moitié du XVIIIe siècle, présente un portique néoclassique qui domine la perspective du jardin. Le magistrat, poussé par l'intendant Lacoré, met en place un système d'irrigation de la ville et implante de nombreuses fontaines, la plupart commandées au sculpteur Claude-François Attiret. Celui-ci a réalisé la fontaine d'Arans flanquée de colonnes aux tambours ornés un sur deux de stalactites ; la fontaine du Dauphin ; la fontaine Louis XVI (sa statue détruite à la Révolution, est remplacée par une figure de la Liberté puis de la Paix); la fontaine du Lion (disparue).
Au XVIIIe siècle, une petite bourgeoisie locale liée aux affaires se dote d'hôtels particuliers: l'hôtel de Sponeck et l'hôtel Beurnier-Rossel, situés place Saint-Martin. De type bâlois, le corps de logis donne sur la rue, avec au centre, un portail d'entrée monumental donnant accès à une cour intérieure et aux communs situés dans les ailes en retour qui la délimitent. Un jardin privatif est aménagé sur une parcelle jouxtant l'hôtel. La ville, administrée par le magistrat, reconstruit son hôtel de ville: situé également place Saint-Martin, il est réalisé par l'architecte Philippe de la Guêpière, en grès rose des Vosges et dans le goût néo-classique. L'hôpital, dépendant du magistrat, est reconstruit en 1758 à l'emplacement de l'ancien trop vétuste. Les constructions de cette période s'identifient par des chambranles et des bandeaux délimitant les étages travaillés dans le grès rose vosgien et des fenêtres cintrées. Le corps de logis du château est lui aussi reconstruit dans ce style pour apporter plus de confort et commodités au stathouder Frédéric Eugène de Wurtemberg. Après la Franche-Comté, les Quatre Terres (seigneuries du pays de Montbéliard) et le comté de Montbéliard sont rattachés à la France, respectivement en 1748 et 1793.
