Il fait partie de la ZUP de Beaulieu, pointe Est de l’Île de Nantes qui fait l’objet d’un grand projet de planification urbaine à partir des années 1960. Dans ce cadre, André Morice alors maire de la ville lance une étude en 1967 pour un nouveau Palais des Sports. Georges Evano et Jean-Luc Pellerin, de l’agence Evano-Pellerin, la remportent.
Le projet est conçu en trois phases. La première tranche de travaux s’achève en 1973 par la création de la grande salle principale, aussi appelée la "5000". La deuxième phase de travaux, pour une autre salle de 500 places et cinq espaces annexes, est conduite entre 1975 et 1979. La troisième tranche de travaux prévue par Evano et Pellerin ne sera jamais réalisée. Le dernier grand chantier en date, mené par les architectes François Veuillon et Christian Voyer, s’est déroulé entre 2016 et 2021. Ces travaux d’extension et de rénovation ont donné lieu, entre autres, à un nouveau hall d’accueil.
La Salle Omnisports de Beaulieu a accueilli des évènements sportifs de premier rang dès son inauguration, comme le championnat de France de gymnastique en 1973. Le Handball Club de Nantes (HBC) est le locataire principal du Palais en 2019.

Le Palais des Sports           

Le Palais des Sports est un édifice qui combine soubassement en béton, structure en acier et façades en verre. L’un des éléments phares du projet architectural concerne la structure métallique tridimensionnelle qui porte la couverture. Elle s’étend sur une portée de 86m au-dessus de la salle principale – c’est un record à l’époque – et est portée par 36 poteaux rotulés tout autour des gradins. Cette structure, qui impressionne par ses dimensions et sa technicité, recevra le prix Européen de l’Architecture Métallique en 1977. Elle est l’œuvre de l’ingénieur Richard Dziewolski. 
Le bâtiment est conçu sur une base hexagonale, étendue avec des volumes géométrique dissymétriques aux parois de verre teinté inclinées, ce qui confère à l’édifice un certain dynamisme. En plan, le plateau d’évolution est légèrement désaxé par rapport à l’enveloppe hexagonale (cf. Schéma de principe 1). Ainsi, les gradins et les distributions tout autour de l’espace central sont asymétrique et rappellent la Philharmonie d’Hans Scharoun, dans le principe de "tribunes fragmentées"[1], selon Dominique Amouroux. La base hexagonale permet également aux architectes de pouvoir étendre le bâtiment de manière organique lors de futures extensions (cf. Schéma de principe 2).
Comme mentionné plus haut, Georges Evano et Jean-Luc Pellerin ont souhaité travailler la signalétique et la colorimétrie du bâtiment. Pour cela, ils ont fait appel au peintre Bernard Barto. Rouge et noir pour l’extérieur, vert pour l’intérieur de la "5000". Ce travail de couleurs crée une identité visuelle très forte et contribue au dynamisme du bâtiment.

Les concepteurs

- Georges Evano (1926-2011) a été architecte de la ville de Nantes pendant trente ans, de 1963 à 1993. Sous cinq mandats différents, il réalise de nombreux projets pour la ville. On peut citer par exemple la construction de l’hôtel de ville de Nantes rue de Strasbourg en 1979, ou la Manufacture des tabacs réhabilitée en 1983.

- Architecte lui aussi, Jean-Luc Pellerin (1938-2012) œuvre également beaucoup à Nantes. L’agence Evano-Pellerin, créée en 1967, donne lieu à des réalisations de grande ampleur telle que l’aménagement du quartier Malakoff de Nantes (1967-1971).

- Richard Dziewolski (1935 *) est un architecte et ingénieur d’origine polonaise. Après des études à Varsovie, il ouvre une société d’ingénierie et une agence d’architecture à Paris. Il fait partie d’un cercle d’ingénieurs qui perfectionnent les structures métallique tubulaires dans les années 1970, inventées par Robert Le Ricolais dans les années 1940.