Nachdem sich die Produktion im alten Klinkerwerk als nicht zweckmäßig herausgestellt hatte, begannen bereits im Herbst 1939 die Planungen der SS‑Führung am Bau eines neuen „Großklinkerwerks Hamburg“.
Nach dem Besuch des Reichsführers SS, Heinrich Himmler, in Neuengamme im Januar 1940 und der dabei getroffenen Entscheidung über die Errichtung eines modernen Klinkerwerks, begannen zwischen der SS‑Führung und der Hansestadt Hamburg Verhandlungen über die Zusammenarbeit bei der Klinkerproduktion. Nach drei Monaten wurde am 13. April/6. Mai 1940 unter Beteiligung zahlreicher Hamburger Behörden und der „Durchführungsstelle für die Neugestaltung der Hansestadt Hamburg“ ein Vertrag zwischen dem Deutschen Reich, dem SS‑Unternehmen Deutsche Erd- und Steinwerke GmbH (DESt) und der Hansestadt Hamburg geschlossen.
Unmittelbar nachdem die DESt als Betreiberin des alten Klinkerwerks im Januar 1940 offiziell mit der Errichtung eines Neubaus südlich des bisherigen Standortes beauftragt worden war, wurde in einer eigens eingerichteten DESt-Bauabteilung in Berlin mit der architektonischen, der konstruktiven und der technischen Planung begonnen.
Für die Gebäudeplanung wurde der Architekt R. Führt gewonnen. Die Planungsarbeiten verzögerten sich jedoch, unter anderem wegen der ungeklärten Grundstücksverhältnisse.
Trotzdem wurde am 15. Juli 1940 mit einem symbolischen Spatenstich der offizielle Baubeginn bekannt gegeben. Aufgrund der Verzögerungen begannen die eigentlichen Tief- und Rohbauarbeiten jedoch erst Anfang 1941.
Vermutlich mit dem offiziellen Baubeginn wurde im KZ Neuengamme ein Baubüro eingerichtet, das anfangs im SS‑Lager angesiedelt war, dann aber mit dem tatsächlichen Baubeginn 1941 in ein eigens errichtetes Gebäude an der Zufahrt zur Klinkerwerkbaustelle wechselte. Da die Planungen ständig geändert wurden, waren im Baubüro einige KZ‑Häftlinge als Zeichner und Fachplaner mit der Umsetzung der Änderungen beschäftigt.
Bis August 1940 hatte der kaufmännische Leiter der DESt, Gebhardt, die Bauleitung des Klinkerwerks innegehabt, ab August 1940 hatte zeitweilig Maurer die Bauleitung inne. In der wichtigen Aufbauphase 1941/42 übernahm ein Zivilangestellter der DESt, der Bauingenieur Werner Korf, die Bauleitung des Neubaus.
Noch während der Frostperiode wurde Anfang 1940 mit dem Aushub der großen, bis zu 2 m tiefen Fundamente begonnen. Wegen des schlechten Baugrunds und des hohen Grundwasserstandes verzögerte sich die Ausführung und verschlang bis zum Jahresende bereits 700 000 Reichsmark. Anfang 1941 wurde unter freiem Himmel mit dem Errichten der vier großen Brennöfen begonnen.
Nachdem die Fundamente und die Stahlbetonstützpfeiler gebaut waren, wurde im zweiten Halbjahr 1941 das große freitragende Dach montiert. Im Bereich der beiden Seitenflügel und des Querflügels des neuen Klinkerwerks wurden die Außenwände erst anschließend aufgemauert, lediglich beim Mittelflügel wurden zuerst die Außenmauern und dann der Dachstuhl errichtet. Hierfür wurden anfangs Klinker aus dem alten Klinkerwerk genutzt. Nachdem der westliche Seitenflügel fertig gestellt und die Produktion am 15. Juli 1942 offiziell aufgenommen worden war, konnte die Produktion verdreifacht werden, sodass die Maurerarbeiten sich beschleunigten.
Bei dem neuen Klinkerwerk handelt es sich um ein überdimensioniertes Gebäude, dessen Grundrissform die Form eines „E“ hat. Der Mittelflügel war höher als die beiden Seitenflügel und der verbindende Querflügel im Norden. Auf der Nordseite entstand durch den hervorstehenden mittigen Giebel ein Vorbau. Als südlicher Abschluss des Mittelflügels wurde ein zweigeschossiges Kopfgebäude errichtet. In dessen Obergeschoss führte eine lange Betonrampe. Hier wurden die Loren mit dem abgebauten Ton in den Herstellungsprozess eingebracht.
Der Bau des neuen Klinkerwerks wurde mit dem westlichen Seitenflügel begonnen, nach dessen Fertigstellung begannen die Arbeiten am Mittelflügel und anschließend am östlichen Seitenflügel. Der nördliche Querflügel wurde nach und nach mit errichtet.
Das Klinkerwerk mit seinen monumentalen Ausmaßen von 153,00 m Flügellänge und 181,35 m Querflügellänge bei einer Grundfläche von ca. 16 000 m2 und 4,25 m Wandhöhe bzw. 13,40 m Dachhöhe ist symmetrisch und streng nach funktionalen Gesichtspunkten angelegt. Im Mittelflügel war die Tonaufbereitungs- und die Formgebungsanlage geplant, im Querflügel die Trockenkammern und in den beiden Seitenflügeln große Brennöfen.
Neben dem Klinkerwerk sind verschiedene kleinere Schuppen und Gebäude in massiver Bauweise errichtet worden. Die Gebäude wurden unter anderem als Garagen und als Lokomotivschuppen für eine Feldbahn, zum Transport des abgebauten Tons in das Klinkerwerk, genutzt.
Die Fassadengestaltung des neuen Klinkerwerks prägten einerseits der für die Region typische Baustoff Klinker und andererseits Stilelemente des so genannten „Heimatschutzstils“ wie die Fensterteilung, ein nach allen vier Seiten abgeschrägtes Dach (Walmdach) oder Gauben.
Im Inneren war das Gebäude entsprechend den technischen Anforderungen der Klinkerproduktion konstruiert. Die beiden Seitenflügel mussten wegen der großen Brennöfen ohne das Dach tragende Stützpfeiler erbaut werden, während dies im Mittel- und im Querflügel nicht nötig war und der Dachstuhl hier Material sparend von einer Vielzahl kleinerer Stützen getragen wird.
Am 2. Mai 1945 wurde das von der SS geräumte Konzentrationslager Neuengamme von der britischen Armee übernommen. Nachdem die britische Militärverwaltung das Gelände kurzzeitig als Lager für Displaced Persons (DP‑Camp) und als Lager für deutsche Kriegsgefangene genutzt hatte, wurde ab November 1945 ein ziviles Internierungslager, das „Civil Internment Camp No. 6“ (CIC 6), eingerichtet. Das Klinkerwerk wurde hier bis Dezember 1945 zur Unterbringung von Internierten genutzt, die in den großen Klinkeröfen untergebracht waren.
Bereits Anfang 1946 wurde das nunmehr ungenutzte Klinkerwerk treuhänderisch dem Oberfinanzpräsidenten der Hansestadt Hamburg übergeben. Die Stadt Hamburg suchte seitdem einen Pächter für den Komplex, der jedoch erst im Frühjahr 1949 gefunden wurde und das Werk zur Gasbetonsteinproduktion nutzte.
Am 6. September 1948 wurde das Gelände an die Hamburger Gefängnisbehörde übergeben, die es als „Männergefängnis Neuengamme“ weiternutzte. Gefangene demontierten die Brennöfen. Mit den dabei geborgenen 950 000 Klinkern wurde 1949/50 ein Gefängnisneubau errichtet.
Das Klinkerwerk wurde in der Folge von verschiedenen Baustofffirmen zu Lagerzwecken genutzt.