D'une superficie de plus de 14 000 m², le palais omnisports est l'équipement public majeur de la ville de Thiais mais demeure également jusqu'aujourdhui l'une des plus grandes salles de sport de France, résultat d'un projet particulièrement ambitieux de la municipalité. En effet, dans les années 1980, la commune de Thiais souhaite répondre à la demande croissante d'équipements sportifs de la part de ses administrés, dont les pratiques se diversifient et s'intensifient. Le projet consiste en l'aménagement du stade Baudequin, situé au nord de la ville et existant depuis les années 1930. Le programme envisagé est colossal : un second terrain de football, un terrain de pétanque, un centre d'hébergement, un palais omnisports, des parkings, des tribunes extérieures sur le terrain d'honneur de football, un appartement et une loge de gardien. Le palais omnisports, pièce maîtresse du projet, est destiné aux nombreux clubs sportifs de Thiais mais également aux scolaires, en particulier la section de GRS du collège Albert-Camus, dont l'activité se développe.
En 1989, le conseil municipal décide l'organisation d'un concours d'architecture afin de mener ce dessein à bien. L'année suivante deux cabinets d'architecture sont retenus : Agopyan-S.E.V.A.N. et Pierre Giudicelli. C'est l'Atelier Agopyan-S.E.V.A.N. (pour Société d'études techniques de vérification et d'ingénierie pour la conception d'une architecture nouvelle), qui remporte le concours. Cette agence, basée à Massy puis à Antony, est fondée en 1963 par l'architecte Berdje Agopyan. Né en 1937 et diplômé de l'école des Beaux-Arts de Paris en 1965, Agopyan participe dès les années 1970 à des projets particulièrement innovants et célèbres dans le domaine sportif : la construction du Parc des Princes avec Roger Taillibert et celle du Palais omnisports de Paris-Bercy (actuel Accor Arena) avec Michel Andrault, Pierre Parat et Jean Prouvé. En 1982-1984, l'architecte signe cette fois seul le mythique Stade de la Beaujoire à Nantes, mais réalise également de nombreux complexes sportifs en France et à l'étranger (Ryad, Caracas, Hong-Kong etc.), et remporte le Grand Prix de l'Architecture européenne en 1989 pour la réalisation du Stade de la Pépinière à Poitiers dont la structure offre 127 m de portée, un record mondial. Fort de cette impressionnante expérience dans la construction d'équipements sportifs, Agopyan dessine l'avant-projet du palais omnisports en 1991. Celui-ci comprend alors une salle centrale omnisports, un dojo, une salle de GRS, une salle de tennis de table, une salle polyvalente, une salle de musculation, une salle de boxe, une salle de danse, une salle de réunion et de cours et un club-house. Le projet semble démesuré pour une commune de 27 000 habitants mais l'ambition municipale est intacte : le permis de construire est accordé en avril 1992 et les travaux démarrent à la fin de l'année. Le chantier est achevé en septembre 1994. Le palais omnisports est alors le 2e équipement sportif couvert le plus vaste de France (après le palais omnisports de Paris-Bercy). Il est inauguré par Edouard Balladur, premier ministre, qui s'exclame : « Une telle réalisation ne peut que pousser à la performance ! ». Aujourdhui encore, le palais omnisports est un équipement majeur de la région francilienne et accueille chaque année les Internationaux de gymnastique rythmique, regroupant des gymnastes de haut niveau du monde entier.
Le complexe sportif est organisé autour d'une salle centrale de 2 600 m² pouvant accueillir 4 000 spectateurs sur ses gradins. Quatre salles adaptées à des pratiques sportives spécifiques gravitent autour de celle-ci, dédiées aux arts martiaux, au tennis de table, à la GRS, à la danse, à la boxe et à la musculation. Cette répartition est clairement lisible dans les volumes extérieurs du palais omnisports : la salle centrale et ses dégagements dédiés à la circulation sont conçus comme un dôme dont la courbure naît au niveau du sol, auquel sont adjointes trois pyramides tronquées abritant les salles spécialisées, celle située à l'arrière, plus spacieuse, accueillant deux salles en enfilade. La façade avant du complexe, située sur la place Vincent-Van-Gogh est mise en valeur par la présence d'un avant-corps triangulaire incliné dont le sommet translucide est porté par une charpente métallique. Ce traitement particulièrement original des façades et des volumes est lié à la contrainte de l'environnement urbain. Ce quartier de Thiais étant principalement pavillonnaire, l'architecte s'est efforcé d'intégrer l'édifice dans la volumétrie générale du bâti en utilisant au maximum les lignes courbes afin d'estomper la monumentalité de l'équipement. Ce parti-pris esthétique et technique est un clin d'oeil à deux réalisations majeures : la pyramide tronquée s'inspire du Palais omnisports de Paris-Bercy et le plan incliné en façade rappelle celui de l'école dingénieurs conçu par Dominique Perrault à la cité Descartes de Marne-la-Vallée (ESIEE, 1984-1987).
Berdje Agopyan multiplie également les types de structures et les matériaux. La salle centrale, particulièrement remarquable et unique en Europe, est dotée d'une charpente en bois lamellé-collé en nid d'abeille d'une portée de 110 m aux assemblages par inserts invisibles, tandis que le grand hall est surmonté d'une charpente métallique tridimensionnelle. L'ensemble est couvert en cuivre sur le dôme et en aluminium au niveau du plan incliné, sur un soubassement en béton. Les salles spécifiques sont également dotées de poutres en lamellé-collé, matériau apprécié pour des raisons techniques mais également phoniques et esthétiques, conférant couleur et chaleur aux espaces. Quant aux façades de ces pyramides tronquées, elles sont bardées de tôle. La place accordée à l'éclairage naturel est primordiale : le hall est abondamment illuminé par une verrière zénithale, de même que la salle centrale grâce à quatre failles lumineuses, tandis que les salles satellites sont dotées de grandes baies losangiques en façade. Enfin, un grand soin est apporté aux détails de second-oeuvre, tels que les escaliers suspendus en béton rainuré, la présence des anneaux olympiques sur les portes d'entrée, le profil des garde-corps des gradins, les soubassements en béton à la découpe géométrique. Cette esthétique graphique, colorée et fragmentée de l'édifice notamment à l'extérieur grâce à la multiplication des volumes, la suppression des angles droits, l'aspect surbaissé du bâtiment central aux lignes inclinées et courbes, la répétition des losanges des baies, participent à la qualité de cet équipement hors-normes. En 2023, le palais omnisports de Thiais reçoit ainsi le label « Architecture contemporaine remarquable » (ACR), décerné par le ministère de la Culture.
