Dans les années 1950, la « Société du Vélodrome d’hiver-Palais des Sports », propriétaire du Vélodrome d’hiver situé dans le 15e arrondissement, envisage de reconstruire le bâtiment édifié en 1909 afin d’accueillir diverses manifestations sportives. Détournée de ce projet par les services d’Urbanisme de la Ville, la Société décide vers 1957-1958 d’édifier à son emplacement un ensemble immobilier à usage de logements et de bureaux. Le projet est confié à l’architecte Pierre Dufau, mais le permis de construire n’est accordé qu’à la condition que la Société élève un « palais des Sports » provisoire, sur un terrain prêté par la Ville dans le Parc des Expositions de la Porte de Versailles, en attendant la réalisation d’un bâtiment définitif prévu à Puteaux.
La « Société nouvelle du Palais des Sports » confie également à Pierre Dufau la construction de l’édifice ayant pour vocation d’accueillir des événements sportifs, mais aussi culturels (music-hall, théâtre ou cirque). En 1959, l’architecte dessine les premiers plans d’une salle provisoire, alors rectangulaire. Ses projets sont rapidement révisés, probablement sous l’influence de son assistant Victor Parjadis de la Rivère (1929-2006), de retour d’un voyage d’études aux États-Unis. Le plan du monument est finalement prévu pour être de forme circulaire et l’édifice couvert d’un dôme novateur en aluminium breveté par la Kaiser Aluminium and Chemical Sales Corporation et conçu par l’ingénieur Richard Buckminster Fuller, faisant écho à des dômes similaires aux États-Unis.
La structure autoportante et préfabriquée, pouvant être en grande partie démontée et récupérée, présentait en effet l’intérêt de se conformer à l’une des principales exigences de la commande : construire rapidement une structure provisoire de grande dimension, apte à combler le vide laissé dans l’univers des événements sportifs par la destruction du Vélodrome d’Hiver, en attendant l’établissement du palais des Sports définitif.
En juillet 1959, alors que le Vélodrome d’Hiver est en cours de démolition, le terrain est mis à la disposition des entrepreneurs. Le gros œuvre du chantier est commencé dès la fin de l’été permettant l’installation des premiers panneaux en aluminium du dôme au cours du mois d’octobre. Après seulement six mois de chantier, le palais des Sports pouvant abriter 6 000 spectateurs ouvre au public.
S‘adaptant à l’étroitesse du terrain, le bâtiment présente un plan circulaire de 68 m de diamètre (2 800 m2). Sa particularité réside surtout dans le dôme reposant sur 35 poteaux en béton. D’une portée de 60 m, il ne présente pas de charpente et pèse 45 tonnes. Il est composé de 1 100 losanges d’aluminium, de 2,3 mm d’épaisseur, selon 14 modèles différents.
Partisan des matériaux et du vocabulaire de la modernité, attaché aux modèles proposés par l’Amérique des années 1950-1960, Dufau s’engage très tôt pour un renouvellement des pratiques et du métier d’architecte. Il impose ainsi, au palais des sports, la plus grande coupole autoportante en alliage léger au moment de sa construction.