Le vélodrome d’Hiver de Paris a été érigé en 1909 et détruit en 1959. On l'appelait familièrement le Vél’ d'Hiv’.
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 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 6 jours, chargée de donner le départ de la course ; les Reines étaient choisies dans le milieu des artistes populaires à la mode : Édith Piaf, Annie Cordy, Yvette Horner furent ainsi Reines des 6 jours. L'animation se répandait alors de jour comme de nuit jusque dans les rues du quartier.
L'après-guerre y vit l'organisation de tournois de boxe avec Marcel Cerdan ou Sugar Ray Robinson par exemple, d'épreuves équestres, et même de défilés de mode.

À partir des 16 et 17 juillet 1942, c'est là que furent détenus plusieurs jours dans des conditions très précaires les milliers de victimes juives de la rafle du Vél d'Hiv.
Le Vélodrome fut détruit en 1959.
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La rafle du Vélodrome d'Hiver (16-17 juillet 1942), souvent appelée rafle du Vel' d'Hiv, est la plus grande arrestation massive de Juifs réalisée en France pendant la Seconde Guerre mondiale. En juillet 1942, le régime nazi organise l'opération « Vent Printanier » : une énorme rafle de Juifs dans plusieurs pays européens. En France, le régime de Vichy mobilise la police française pour participer à l'opération: à Paris, 9 000 policiers et gendarmes rafleront les Juifs. Le 17 juillet, en fin de journée, le nombre des arrestations dans Paris et la banlieue était de 13 152, selon les chiffres de la préfecture de police.