המשחקים האולימפיים היחידים שהתקיימו על אדמת ברית המועצות נערכו במוסקבה, שהועדפה על פני לוס אנג'לס. ב-25 בדצמבר 1979 פלשה ברית המועצות לאפגניסטן. נשיא ארצות הברית, ג'ימי קרטר, הציב לסובייטים אולטימטום לפיו אם לא יסיגו את כוחותיהם מאפגניסטן עד ה-20 בפברואר 1980, תחרים ארצות הברית את המשחקים. משנמשכה המלחמה, הודיעה ארצות הברית ב-21 במרץ באופן רשמי כי תחרים את המשחקים. לחרם האמריקני הצטרפו 60 מדינות נוספות, ובהן גרמניה המערבית, קוריאה הדרומית, יפן, נורווגיה, קנדה, סין העממית (שהייתה אמורה לשוב ולהשתתף במשחקים לראשונה מאז 1952) וישראל. 16 מדינות נוספות, ובהן אוסטרליה, איטליה, בריטניה, הולנד, צרפת ושווייץ השתתפו במשחקים, אך התחרו תחת הדגל האולימפי, וכאשר זכו במדליות זהב נוגן ההמנון האולימפי, ולא ההמנונים של מדינותיהם. בטקס הסיום של המשחקים, לא הונף דגל ארצות הברית, המארחת הבאה, כי אם דגלהּ של העיר לוס אנג'לס, בה עתידים היו להיערך המשחקים הבאים.
הישגיה של ברית המועצות במשחקים אלה היו הגבוהים בתולדותיה. היא שלחה 506 ספורטאים, שזכו ב-195 מדליות, מהן 80 מדליות זהב. המדליות הושגו בכל אחד ואחד מהענפים שבהם נערכו תחרויות במשחקים.
בהיעדרה של ארצות הברית, זכתה ברית המועצות להישגים רבים באתלטיקה, והאתלטים הסובייטים צברו 41 מדליות בענף זה בלבד, מהן 15 מדליות זהב. האתלטיות הסובייטיות זכו ב-7 מדליות זהב מתוך 14 אפשריות. בריצת 800 מטר, כל זוכות המדליות היו מברית המועצות: נדיה אוליזרנקו זכתה במדליית זהב עם שיא עולם חדש (1:53.43 דקות), אולגה מינייבה זכתה במדליית כסף וטטיאנה פרובידוחינה זכתה במדליית ארד. אוליזרנקו זכתה גם במדליית ארד בריצת 1500 מטר, בה ניצחה, בפעם השנייה ברציפות, טטיאנה קזנקינה, עם שיא אולימפי חדש (3:56.56 דקות). גם בקרב חמש היו כל זוכות המדליות מברית המועצות: נדז'דה טרצ'נקו זכתה במדליית זהב עם שיא עולם חדש (5,083 נקודות), אולגה רוקבישניקובה זכתה במדליית כסף ואולגה קורגינה זכתה במדליית ארד. בקפיצה לרוחק זכתה טטיאנה קולפקובה במדליית זהב וטטיאנה סקצ'קו זכתה במדליית ארד. ליודמילה קודרטייבה זכתה במדליית זהב בריצת 100 מטר, וורה קומיסובה זכתה במדליית זהב בריצת 100 מטר משוכות, עם שיא אולימפי חדש (12.56 שניות). קומיסובה גם הייתה שותפה לזכייתה של נבחרת השליחות ל-100X4 מטר במדליית כסף. חברה נוספת בנבחרת השליחות, נטליה בוצ'ינה, זכתה במדליית כסף בריצת 200 מטר. נבחרת השליחות ל-400X4 מטר זכתה במדליית זהב. סבטלנה קרצ'בסקאיה זכתה במדליית כסף בהדיפת כדור ברזל, סאידה גונבה זכתה במדליית כסף בהטלת כידון וטטיאנה לסובאיה זכתה במדליית ארד בזריקת דיסקוס.
יורי סדיך שבר ארבע פעמים את שיא העולם ביידוי פטיש בדרך לשמירה על התואר האולימפי. התוצאה הסופית שקבע הייתה 81.80 מטר. במדליית הכסף זכה סרגיי ליטבינוב ובמדליית הארד זכה יורי טאם. יאק אודמאה זכה במדליית זהב בקפיצה משולשת. סגנו היה ויקטור סנייב, שאיבד את תוארו לאחר שלוש זכיות רצופות. בהדיפת כדור ברזל זכה במדליית הזהב ולדימיר קיסליוב, ובמדליית הכסף זכה אלכסנדר ברישניקוב, ששיפר את הישגו ממונטריאול. גם בהטלת כידון שני הראשונים היו סובייטים, דאיניס קולה ואלכסנדר מקרוב. ויקטור מרקין זכה במדליות זהב בריצת 400 מטר ועם השליחים בריצת 400X4 מטר. גם בריצת 100X4 מטר זכו השליחים הסובייטים במדליית זהב. ויקטור רשצ'ופקין זכה במדליית זהב נוספת, בזריקת דיסקוס. בקרב עשר זכה יורי קוצנקו במדליית כסף, וסרגיי ז'לנוב זכה במדליית ארד. קונסטנטין וולקוב חלק את מדליית הכסף בקפיצה במוט עם הפולני תדיאוש שלוסרסקי, וסיל ארחיפנקו זכה במדליית כסף בריצת 400 מטר משוכות ופיוטר פוצ'ינצ'וק זכה במדליית כסף בהליכה ל-20 ק"מ. חמישה אתלטים נוספים זכו במדליות ארד: יבגני איבצ'נקו בהליכה ל-50 ק"מ, סטימקול דז'ומנזרוב בריצת מרתון, אלכסנדר פוצ'קוב בריצת 110 מטר משוכות, ולרי פידלוז'ני בקפיצה לרוחק וניקולאי קירוב בריצת 800 מטר.
בהתעמלות שלטה הנבחרת הסובייטית ללא עוררין, וזכתה ב-22 מדליות, מהן 9 מתוך 15 מדליות הזהב האפשריות. אלכסנדר דיטיאטין היה לספורטאי הראשון בהיסטוריה שזוכה ב-8 מדליות באולימפיאדה אחת. 3 מהמדליות בהן זכה היו מדליות זהב - בתחרות הקבוצתית, בקרב-רב ובתרגיל הטבעות. במתח, במקבילים, בסוס הסמוכות ובקפיצות זכה במדליות כסף, ובתרגיל הקרקע זכה במדליית ארד. דיטיאטין היה גם לגבר הראשון שזוכה בציון 10. הוא קיבל את הציון על התרגיל בסוס הקפיצות במהלך תחרות הקרב-רב. ניקולאי אנדריאנוב זכה במדליית זהב בקפיצות, במדליות כסף בקרב-רב ובקרקע, ובמדליית ארד במתח. בכך, הגיע למאזן כולל של 15 מדליות ב-3 אולימפיאדות. מתעמל נוסף, אלכסנדר טקאצ'ב, זכה במדליית זהב במקבילים ובמדליית כסף בטבעות. הנשים זכו בפעם השמינית ברציפות בתואר הקבוצתי. ילנה דווידובה זכתה במדליית זהב בקרב-רב ובמדליית כסף בקורה, נטליה שפושניקובה זכתה במדליית זהב בקפיצות ובמדליות ארד בקורה ובקרקע, נלי קים חלקה את מדליית הזהב שלה בתרגיל הקרקע עם נדיה קומנץ', ומריה פילטובה זכתה במדליית ארד במקבילים המדורגים.
גם המתאבקים הסובייטים שלטו בענף, עם 17 מדליות, מהן 12 מתוך 20 מדליות הזהב האפשריות. סוסלאן אנדייב ואלכסנדר קולצ'ינסקי היו היחידים ששמרו על תואריהם ממונטריאול, ואליהם הצטרפו התאומים אנטולי וסרגיי בלוגלזוב, מגומדגסאן אבושב, סאיפולה אבסאידוב, סנסאר אוגניסיאן, איליה מאטה, ז'אקסיליק אושקמפירוב, וחטאנג בלגידזה, שאמיל סריקוב וגנאדי קורבן. אנטולי ביקוב, שאיבד את תוארו ממונטריאול, זכה במדליית כסף, ובמדליות כסף נוספות זכו מגומדחאן אראצילוב ואיגור קניגין. סרגיי קורנילייב ובוריס קרמרנקו זכו במדליות ארד.
השחיינים הסובייטים זכו ב-22 מדליות, מהן 8 מדליות זהב. ולדימיר סלניקוב קבע שיא שיא אולימפי במשחה ל-400 מטר חופשי (3:51.31) ושיא עולם במשחה ל-1500 מטר חופשי (14:58.27 דקות). סרגיי קופליאקוב קבע שיא אולימפי במשחה ל-200 מטר חופשי (1:49.81 דקות). שניהם זכו גם במדליית זהב במשחה השליחים ל-200X4 מטר חופשי, יחד עם אנדריי קרילוב, שזכה גם במדליות כסף במשחים ל-200 ול-400 מטר חופשי, ועם איוואר סטוקולקין, שזכה גם במדליית ארד במשחה ל-400 מטר חופשי. רוברטאס ז'ולפה זכה במדליית זהב במשחה ל-200 מטר חזה. ארסנס מיסקרובס זכה במדליית ארד באותו המשחה, וכן במדליית כסף במשחה לחצי המרחק. אלכסנדר סידורנקו קבע שיא אולימפי במשחה ל-400 מטר מעורב אישי (4:22.89 דקות). סגנו במשחה זה, סרגיי פסנקו ניצח במשחה ל-200 מטר מעורב אישי. במשחה ל-100 מטר גב, זכה ויקטור קוזנצוב במדליית הכסף, וולדימיר דולגוב זכה במדליית הארד. שחיין נוסף, אלכסנדר צ'אייב, זכה במדליית כסף במשחה ל-1500 מטר חופשי. נבחרת השליחים ל-100X4 מטר מעורב, בה היו חברים קופליאקוב, מיסקרובס, קוזנצוב ויבגני סרדין, זכתה במדליית כסף. הישגי השחייניות היו פחותי משל הגברים. במשחה ל-200 מטר חזה ניצחה לינה קצ'יושטה, עם שיא אולימפי חדש (2:29.54 דקות). סבטלנה ורגנובה זכתה במדליית הכסף ויוליה בוגדנובה זכתה במדליית הארד. אלווירה וסילקובה זכתה במדליית כסף במשחה ל-100 מטר חזה ובמדליית ארד עם נבחרת השליחות ל-100X4 מטר מעורב.
בהרמת משקולות, זכו הסובייטים ב-8 מדליות. קניבק אוסמונלייב, ויקטור מזין, יוריק ורדניאן, לאוניד טרננקו וסולטן רחמנוב זכו במדליות זהב, ויוריק סרקיסיאן, אלכסנדר פרווי ואיגור ניקיטין זכו במדליות כסף. הקיאקיסט ולדימיר פרפנוביץ' זכה בשלוש מדליות זהב: במקצה היחידים ל-500 מטר ובמקצי הזוגות ל-500 ול-1,000 מטר, יחד עם סרגיי צ'וכראי. חותר הקאנו סרגיי פוסטרחין זכה במדליית זהב במקצה ל-500 מטר ובמדליית כסף במקצה ל-1,000 מטר. במרצה הזוגות ל-1,000 מטר זכו וסיל יורצ'נקו ויורי לובנוב במדליית ארד. אצל הנשים, גלינה קרפט ונינה גופובה איבדו את תוארן במקצה הזוגות, וזכו במדליית כסף, ואנטונינה מלניקובה זכתה במדליית ארד.
שלוש נבחרות הרכיבה הסובייטיות, בדרסאז', איוונטינג וקפיצות, זכו במדליות זהב. בתחרויות היחידים, זכו יורי קובשוב וויקטור אוגריומוב, במדליות כסף וארד, בהתאמה, בדרסאז', אלכסנדר בלינוב ויורי סלניקוב עשו זאת באיוונטינג, וניקולאי קורולקוב זכה במדליית כסף בקפיצות. הסייף ויקטור קרובופוסקוב זכה בפעם השנייה ברציפות בשתי מדליות זהב בתחרויות היחידים והקבוצות בחרב. חברו לנבחרת, מיכאיל בורצב, זכה במדליית כסף בטורניר היחידים. ברומח, זכה ולדימיר סמירנוב במדליית זהב ואלכסנדר רומנקוב במדליית ארד. שניהם זכו גם במדליית כסף עם הנבחרת. נבחרת הנשים ברומח זכתה במדליית כסף ונבחרת הגברים בדקר זכתה במדליית ארד. במרוץ אופני כביש, זכה סרגיי סוחורוצ'נקוב במדליית זהב ויורי ברינוב זכה במדליית הארד. הנבחרת הסובייטית זכתה אף היא במדליית זהב בתחרות הקבוצתית. גם במרוץ המסלול זכתה הנבחרת הסובייטית במדליית הזהב, אלכסנדר פנפילוב זכה במדליית כסף במרוץ נגד השעון וסרגיי קופילוב זכה במדליית ארד בספרינט.