Très à la mode en ce début de XXe siècle et particulièrement prisé par la population citadine ouvrière, le cyclisme devient un spectacle de masse que requiert la construction de vélodromes. Le nouvel équipement de la rue Nélaton est construit à l’initiative d’Henri Desgranges (1865-1940), coureur cycliste et journaliste, par les architectes Lambert et Durand qui l’intitulent le « temple des sports du boulevard de Grenelle ». Inauguré en 1910, l’édifice connaît plusieurs modifications et aménagements jusqu’à sa destruction en 1959, date à laquelle il est remplacé par le palais des sports de la porte de Versailles. 

Le « Vel’ d’hiv » se fait d’abord le cadre de la plus emblématique des épreuves françaises de cyclisme, les « Six Jours de Paris ». Organisés en 1913, 1914, puis de 1921 à 1939 et de 1946 à 1958, la manifestation rencontre un formidable succès populaire. La tradition était alors d’élire la reine des Six Jours – Edith Piaf fut l’une d’entre elles –, chargée de donner le départ de la course puis de donner leur récompense aux vainqueurs. En 1924, le « Vel’ d’hiv » accueille les épreuves de boxe et d’haltérophilie des Jeux Olympiques de Paris. En 1931, le « Vel’ d’hiv » reçoit des compétitions de tennis, basket-ball et hockey sur glace, à la faveur de l’installation d’une patinoire. Les championnats du monde de patinage artistique s’y déroulent en 1936. Au milieu de la piste, un restaurant de luxe reçoit le Tout-Paris.

Les 16, 17 et 18 juillet 1942, le « Vel’ d’hiv » connaît les heures les plus sombres de son histoire. Le vélodrome est provisoirement transformé en prison, le gouvernement de Vichy y faisant transférer plus de 8000 juifs dans l’attente de leur déportation vers les camps d’extermination. À la Libération, le « Vel’ d’hiv » se fait à nouveau le triste cadre de la « rafle des tondues ». Et lors de la guerre d’Algérie, l’édifice sert de camp de rétention pour des Français musulmans d’Algérie. Après la guerre, le « Vel’ d’hiv » retrouve événements culturels, sportifs et politiques : sont organisés tournois de boxe, épreuves équestres, défilés de mode, courses de taureaux (la dernière a lieu en 1949), meetings politiques et même des offices religieux.

Construit en 1909 en brique, le vélodrome est modifié dans les années suivantes, revêtu d’un parement de pierre orné de bas-reliefs représentant guirlandes et chutes de fleurs, insérés dans un décor de tables rentrantes. Il conserve néanmoins sa grande verrière marquant l’entrée. En 1931, le vélodrome devient « Palais des Sports de Grenelle » et connaît une rénovation à l’initiative de son directeur, promoteur et amateur de boxe Jeff Dickson (1894-1943). Pour améliorer la visibilité de l’édifice, celui-ci fait supprimer les deux pylônes supportant la toiture et les fait remplacer par une arche de fer d’une seule portée. Après la guerre, l’édifice est une nouvelle fois modifié, doté d’une façade très sobre dont l’horizontalité est accentuée par des baies disposées en bandeau.

Infrastructure destinée à être utilisée l’hiver, le vélodrome est donc couvert, pouvant accueillir jusqu’à 17 000 spectateurs. Les gradins, étroits et aménagés de manière très abrupte sur deux niveaux, offrent aux spectateurs une vue plongeante sur la piste en bois de sapin de 250 mètres de tour. Inclinés à 40 degrés, les virages sont surnommés « les Falaises » par les coureurs. L’édifice est abrité par une charpente métallique et reçoit à la fois la lumière naturelle par une verrière zénithale et une lumière artificielle dispensée par plus de 1 000 ampoules.

Une plaque installée à l’ancien emplacement du vélodrome ainsi qu’un jardin du souvenir commémorent les événements tragiques dont le « Vel’ d’hiv » fut le témoin. À l’origine destiné à recevoir les courses cyclistes, le vélodrome d’hiver n’en conserve pas moins une fonction omnisport ainsi qu’une vocation culturelle et festive.