El velódromo rinde honor a uno de los niños héroes, Agustín Melgar.
En 1957 la Ciudad de México se postuló como sede para los juegos olímpicos por primera vez, sin tener suerte. En 1963, para la realización de los décimo novenos Juegos Olímpicos, la ciudad logró vencer a Detroit (Estados Unidos), Lyon (Francia) y Buenos Aires (Argentina), en lo que se convirtió en una gran celebración para muchos mexicanos de aquella época.
Los Juegos Olímpicos de México 68 eran lo primeros organizados por un país Latinoamericano; sin embargo el país no contaba con la infraestructura para albergar todas las actividades deportivas, así que se tuvieron que construir diversos complejos, entre ellos, uno que ha propiciado la práctica del ciclismo durante años. Así fue que el 6 de mayo de 1967, se inició la construcción del Velódromo Olímpico "Agustín Melgar".
Para la construcción del inmueble deportivo, la Secretaría de Obras Públicas del Gobierno Federal, decidió ampliar la "Ciudad Deportiva" de la Magdalena Mixhuca en el oriente de la ciudad, en terrenos donados por el actor y empresario mexicano, Jesús Martínez "Palillo" en los años 50, un lugar que se convertiría en el centro deportivo más grande de México.
Dicho complejo deportivo fue diseñado por los arquitectos Jorge, Ignacio y Andrés Escalante y Legarreta. El Velódromo fue proyectado en una superficie de 5.2 hectáreas, con un edificio de altura baja, con una longitud de 333.33 metros por 7 metros de ancho; las curvas del circuito tienen un peralte de 39º. Contó con capacidad para 6800 espectadores y con 860 cajones de estacionamiento en 1968.
El único elemento propuesto por un extranjero fue el diseñó de la pista con madera africana llamada Doussie Afzeiba, un material con una mayor resistencia a la intemperie, lo que colocó al Velódromo capitalino dentro de la élite de su época. Esta tarea fue gracias al arquitecto alemán Herbert Schürmann, quién era un especialista en ciclismo y quien construyó las pistas para los Juegos Olímpicos en Roma (1960), Munich (1972), Seúl (1986) y Barcelona (1990), y en muchos Juegos Continentales y pistas de ciclismo.
En 1968 el entonces Presidente de México, Gustavo Díaz Ordaz, fue el encargado de inaugurar el velódromo que fue considerado como uno de los mejores del mundo y como la “Catedral de los Récords“. Esto de se debió a la situación geográfica de la ciudad, los ciclistas extranjeros acudían muy seguido con el fin de imponer marcas mundiales. El velódromo fue tan magnífico que el país tiene registradas 30 marcas de las 52 marcas mundiales del ciclismo de pista que se habían impuesto hasta el 2000.
El ciclista francés Pierre Trentín impuso una nueva marca al terminar la prueba de los mil metros contra reloj en 1:03.91; y el suizo Morgen Frey Jensen batió otro récord en la ronda preliminar de la prueba de persecución de 4 mil metros individuales.
Años más tarde el velódromo fue sede de los Juegos Panamericanos de 1975 y del Campeonato Mundial Juvenil en 1980, pero como sucede con todas las cosas, al paso de los años la duela Doussie Afzeiba fue retirada y sustituida por otra llamada "machiche" a base de pino. No obstante, esta otra madera no pudo continuar debido al escaso y mal cuidado que se le dio, por lo tanto tuvo que ser removida en su totalidad y colocado un piso de cemento en 1997, al término de la Primera Olimpiada Juvenil.
A partir de ese momento gran parte de los 860 cajones de estacionamiento se perdieron por la presencia de un depósito vehicular ubicado ahí desde 1989, y hoy en día la Secretaría de Movilidad (Semovi) ocupa parte del estacionamiento original del Velódromo con un módulo de atención así como su archivo muerto.
Hoy en día el velódromo sigue siendo un sitio donde muchas personas continúan haciendo ciclismo en la ciudad.