Come nello Stadio di via Bellini giocava la P.G. Libertas, così il Velodromo delle Cascine era il campo di calcio del C.S. Firenze, la squadra che con la P.G. Libertas contribuì alla nascita della Fiorentina.
Le origini dell'impianto risalgono però agli albori del ciclismo, quando un gruppo di appassionati pionieri del velocipede, sostituitisi in Club, ebbe in concessione dal Comune il terreno dove oggi sorge il Velodromo - e che a quel tempo non era che un prato - e, intorno al 1870, vi realizzò una pista piana in terra battuta.
Nel 1984 la prima rudimentale pista venne trasformata in un anello di cemento funzionale allo svolgimento delle gare. Tale realizzazione, benchè possa oggi apparire modesta, è tuttavia importante perchè costituisce uno dei primi esempi di impiego di tale materiale in impianti di questo tipo.
Con la nascita, dalle ceneri del vecchio gruppo di ciclisti, del Club Sportivo Firenze e con il crescere degli interessi sportivi della Società, dal 1911 nel prato del Velodromo si cominciò anche a giocare a calcio, ma fu solo nel 1922 che l'impianto assunse una consistenza architettonica più articolata. In quell'anno, infatti, esso venne potenziato anche in funzione degli spettatori, le cui comodità erano state fino ad allora piuttosto trascurate: vennero costruiti due blocchi di tribune, il primo sulla curva verso il Visarno, il secondo sul rettilineo del traguardo. Inoltre, la pista ciclistica venne completamente rifatta, sempre in cemento ma con una pendenza che consentiva ai corridori di raggiungere maggiori velocità con maggiore sicurezza. Internamente venne tracciata un'altra pista di terra rossa, piana, utilizzabile sia per gli arrivi in volata in caso di pioggia - che avrebbe resa pericolosa quella in cemento - e sia per corse podistiche; nel prato centrale, infine, venne allestito il campo di calcio e predisposte le attrezzature per l'atletica.
Il Velodromo, che così aveva oramai perduto l'originaria funzione di struttura esclusivamente dedicata al ciclismo per diventare un vero e prorpio campo sportivo adatto a varie discipline agonistiche, non subì sostanziali modifiche per molti anni, a parte il restauro a cui, nel 1947, dovette essere sottoposto per i danni subiti durante la guerra da un bombardamento aereo, e a parte l'aggiunta dei campi da tennis realizzati negli anni Cinquanta sui terreni retrostanti.
Qualche anno dopo, però, si rese necessario demolire tutte le vecchie tribune da tempo divenute pericolanti e al loro posto ne fu ricostruita una sola - quella attuale - collocata sul rettilineo opposto a quello dove sorgeva la precedente; nello spazio sottostante furono sistemati gli spogliatoi e i servizi.
Agli inizi degli anni '90 fu eseguito un intervento sullo storico "Velodromo delle Cascine" con la ristrutturazione di tutto il sottotribuna esistente ai fini dell'adeguamento, degli spazi e dei percorsi, al D.M. 25.08.89 e relativamente alla eliminazione delle barriere architettoniche per il pubblico e per gli atleti fruitori della palestra di preriscaldamento.
Furono pertanto ridistribuiti gli spazi interni al piano terreno per la creazione degli spogliatoi e servizi e fu realizzato il piano primo del sottotribuna, completamente nuovo e destinato a sede delle società presenti nell'impianto.
Nel 2002 è stato effettuato un ulteriore intervento di ristrutturazione complessiva dell'impianto, consistente nel risanamento strutturale della pista ciclistica, nell'impermeabilizzazione della tribuna, nell'istallazione di un nuovo impianto di illuminazione oltre che al rifacimento del terreno di gioco e al risanamento del tunnel di accesso al campo.