Durant l’Entre-deux-guerres, les pouvoirs publics encouragent la construction de piscines sur le territoire français : en effet, en 1922, le pays ne compte que 20 piscines, dont 7 à Paris, et accuse un certain retard face à ses voisins européens. L’espace Pailleron s’inscrit dans un projet de création de piscines dans différents quartiers ouvriers de la capitale autour de 1930, afin de répondre au manque de bassins dans la capitale. Située à proximité du parc des Buttes-Chaumont, la piscine est actuellement comprise dans un véritable îlot sportif. La piscine Pailleron est ainsi édifiée par le maître d’ouvrage Les Belles Piscines de France en 1934 par l’architecte Lucien Pollet, également auteur de la piscine Jonquière dans le 17e arrondissement, de la piscine Pontoise dans le 5e arrondissement et de la piscine Molitor dans le 16e arrondissement, édifiées sur un plan à peu près identique.
L’édifice présente une imposante façade en béton et brique, disposées de plusieurs façons et dans des sens différents afin de donner du relief à la façade. Contrastant avec la brique, un grand auvent en béton permet de souligner l’entrée. Édifiée en béton armé, la piscine était couverte à l’origine d’une verrière à pans, similaire à celles de Molitor ou de Pontoise. Une restauration récente a cependant nécessité le remplacement par une verrière voûtée.
Le plan rectangulaire du monument s’adapte naturellement à la forme d’un bassin long de 33 m, entouré de deux étages de coursives où se trouvent plusieurs dizaines de cabines. L’intérieur présente une grande régularité de lignes horizontales et verticales et quelques décors de mosaïques, caractéristiques des ensembles architecturaux et décoratifs qui s’épanouissent dans les années 1930. Si le vaste espace intérieur donne son caractère à l’édifice, la distribution a cependant été critiquée lors de la construction pour sa difficulté et la gestion des bruits qu’elle engendre.
Entre 1972 et 1973, le bâtiment est rejoint par une patinoire reprenant un plan rectangulaire et édifiée sur une structure légère en fer et carreaux de verre, surmontée d’une couverture évoquant une voûte surbaissée.
Vétuste, la piscine est fermée en 1990, suivie, quelques années plus tard, par la patinoire. En 1998, la piscine est inscrite au titre des Monuments historiques. Un vaste projet de restauration est lancé à partir de 2001, et mené entre 2004 et 2006 par l’architecte Marc Mimram. Cette restauration est d’ailleurs accompagnée d’une phase d’extension du groupe sportif, puisqu’un troisième bâtiment est édifié au sud-est de la piscine et de la patinoire, accueillant un bassin destiné au loisir et un espace forme et bien-être. Son architecture a été conçue par Mimram sur le modèle de la patinoire des années 1970. Surtout, ce dernier fait intervenir l’artiste Xavier Veilhan qui a réalisé une œuvre intitulée Le Plongeon, installation composée de plusieurs centaines de lampes afin de créer des effets lumineux dans la patinoire. Enfin, pour unifier l’architecture de la patinoire et de la piscine, le fonds municipal d’art contemporain de la Ville de Paris, dans le cadre du 1 % artistique, finance la réalisation d’une œuvre commandée à Carmen Perrin : cette dernière réalise Motifs d’une porosité, un mur de briques creuses qui pare la façade de la nouvelle entrée de l’espace sportif, jouxtant la patinoire des années 1970 et établissant une transition douce avec la façade de brique de la piscine des années 1930.
