Tokyo menjadi tuan rumah Olimpiade Musim Panas 1964, sehingga menjadi kota Asia pertama yang menjadi tuan rumah Olimpiade Musim Panas. Stadion Nasional (juga dikenal sebagai Stadion Olimpiade) menjadi tuan rumah sejumlah acara olahraga internasional. Pada 2016, stadion ini digantikan oleh Stadion Nasional Baru. Dengan sejumlah tempat olahraga kelas dunia, Tokyo sering menjadi tuan rumah acara olahraga nasional dan internasional seperti turnamen bola basket, turnamen bola voli wanita, turnamen tenis, pertandingan renang, maraton, pertandingan uni rugby dan rugby 7, sepakbola, pertandingan pameran sepak bola Amerika, judo, dan karate. Gimnasium Metropolitan Tokyo, di Sendagaya, Shibuya, adalah kompleks olahraga besar yang mencakup kolam renang, ruang pelatihan, dan arena dalam ruangan yang besar. Menurut Around the Rings, gimnasium tersebut telah menjadi tuan rumah kejuaraan dunia senam artistik pada Oktober 2011, meskipun Federasi Senam Internasional awalnya meragukan kemampuan Tokyo untuk menjadi tuan rumah kejuaraan setelah tsunami 11 Maret. Tokyo juga dipilih sebagai tuan rumah sejumlah pertandingan untuk Piala Dunia Rugbi 2019. Tokyo juga terpilih sebagai tuan rumah Olimpiade Musim Panas 2020 dan Paralimpiade Musim Panas 2020 pada 7 September 2013.