Au début du xxe siècle, la compétition cycliste devient un spectacle de masse prisé par la population ouvrière des villes. La construction des vélodromes participe à cette vogue. Dès 1902, Henri Desgrange demande à l'architecte Gaston Lambert d'aménager la Galerie des Machines, vestige de l'Exposition universelle de 1889 situé dans le quartier de Grenelle, pour y créer une piste de compétition cycliste. Inauguré le 20 décembre 1903, le vélodrome connaît rapidement un grand succès populaire. Mais en 1909, la ville annonce la destruction de la Galerie des Machines afin de libérer la perspective vers le Champ de Mars. Desgrange décide alors d'édifier tout à côté, à l'angle du boulevard de Grenelle et de la rue Nélaton, un nouveau temple du vélo. Dans le nouveau Vel' d'Hiv' qui voit alors le jour, 17 000 spectateurs, sur des gradins de briques et de béton, peuvent observer les coureurs qui parcourent une piste de sapin de 250 mètres de long autour d'une vaste pelouse centrale. La salle est éclairée par une immense verrière zénithale et plus de mille ampoules.
De nombreuses manifestations animèrent cet équipement. La fameuse course cycliste dite des « Six jours de Paris », créée en 1913 à l'exemple d'une course américaine équivalente, connut son heure de gloire dans l'entre-deux-guerres, et devint vite le sommet de la saison cycliste. En 1926 commença l'élection de la « Reine des Six jours », chargée de donner le départ de la course ; les Reines étaient choisies dans le milieu des artistes populaires à la mode : Édith Piaf, Yvette Horner furent ainsi Reines des Six jours. L'animation se répandait alors de jour comme de nuit jusque dans les rues du quartier.
En 19311, l'édifice est rénové par l'américain Jeff Dickson et devient le « Palais des Sports de Grenelle »2. En effet, avec sa compagnie, la Jeff Dickson International Sports, il organise en plus des traditionnels matchs de boxe et course de vélos, d'autres compétitions sportives dans l'enceinte3 : tennis,