2020년 하계 올림픽은 총 여섯 곳의 도시가 개최지 후보로 경쟁하였다.

## 선정 과정
올림픽 개최도시의 선정 절차는 유치를 희망하는 도시의 신청서를 각 국가 올림픽 위원회 (NOC)에서 국제 올림픽 위원회 (IOC) 측에 전달해 접수하는 것으로 시작되며, IOC 일반 총회 기간중에 대회 개최 도시를 투표로 선정하는 것으로 마무리된다. 이러한 절차는 올림픽 헌장 제5장 34항부터 규정되어 있다.
1999년부터 선정절차는 두 단계로 구성되어 진행되고 있다. 1단계는
Since 1999, the process has consisted of two phases. During the first phase, which begins immediately after the bid submission deadline, the "applicant cities" are required to answer a questionnaire covering themes of importance to a successful Games organization. This information allows the IOC to analyze the cities' hosting capacities and the strengths and weaknesses of their plans. Following a detailed study of the submitted questionnaires and ensuing reports, the IOC Executive Board selects the cities that are qualified to proceed to the next phase. The second phase is the true candidature stage: the accepted applicant cities (from now on referred to as "candidate cities") are required to submit a second questionnaire in the form of an extended, more detailed, candidature file.

The IOC Session in which a host city is elected takes place in a country that did not submit an application to stage the Olympics.

### Bidding timeline
The timeline of the host city selection process was approved by the International Olympic Committee (IOC) executive board as follows:

### Evaluation of applicant cities
Six cities were put forward by their respective National Olympic Committees (NOCs) to apply to host the Games initially, but Rome withdrew its bid shortly before the applicant files were due. The bidding cities come from two continents, Europe and Asia (Istanbul is considered to be located on the border between Asia and Europe). In 2020 it will be twelve years since an Asian city hosted the Summer Olympics (Beijing 2008) and eight years since a European city hosted the Summer Olympics (London 2012). Out of the six bidders, Tokyo had previously hosted the Summer Olympic Games in 1964. The other four bidders have made bids in the past. It is the first time in 20 years that no city in the Americas bid to host the Summer Olympic Games. Rio de Janeiro was awarded the 2016 Summer Olympics. Baku and Doha bid for the 2016 Games but failed to become candidate cities, while Tokyo and Madrid also bid for the 2016 Games and became candidate cities.

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### 최종 투표
2013년 9월 7일 아르헨티나 부에노스아이레스의 부에노스아이레스 힐튼 호텔에서 열린 제125차 IOC 총회에서 2020년 하계 올림픽의 개최도시 최종 투표가 진행됐다. 투표는 과반을 넘기는 도시가 나올 때까지 진행되었다. 1차 투표에서는 도쿄가 1위에 올랐으나 50%를 넘기지 못했고, 그와 동시에 이스탄불과 마드리드의 표가 동수가 되면서 재투표가 진행됐다. 재투표 결과 이스탄불의 우세로 2차 투표에서는 도쿄와 이스탄불이 경쟁하게 되었다.

2차 투표 결과 도쿄가 60표, 이스탄불이 36표를 얻으면서, 현지 시각 오후 5시 20분 자크 로게 IOC 위원장이 2020년 하계 올림픽의 개최도시로 도쿄를 선정하게 되었음을 공식 선언했다.

## 유치 도시
2020년 하계 올림픽 유치 후보도시는 다음과 같았다.

### 후보 도시
2011년 7월 16일 일본 올림픽 위원회가 2020년 대회의 유치 후보도시로 도쿄를 선정했다.

도쿄는 1964년 하계 올림픽을 개최하였다. 개최국 일본은 1972년 동계 올림픽과 1998년 동계 올림픽을 삿포로와 나가노에서 개최한 바 있다. 이와 더불어 2002년 FIFA 월드컵을 대한민국과 공동 개최하였으며, 당시 결승전을 도쿄 인근의 요코하마에서 개최하였다. 이밖에도 도쿄는 2006년 FIBA 세계 선수권 대회, 2011년 체조 세계 선수권 대회를 유치하였으며, 훗날 2019년 럭비 월드컵도 도쿄 일대를 중심으로 유치하게 된다.
2011년 7월 7일 제123회 IOC 총회에서 후보도시로 처음 지명되었으며, 2011년 8월 24일 터키의 대표 유치 도시로 확정되었다.

이스탄불은 축구대회로는 2005년 UEFA 챔피언스 리그 결승전, 2009년 UEFA컵 결승전, 2013년 FIFA U-20 월드컵을 유치한 적이 있으며, 농구에서는 2011-12 유로리그 파이널 투어, 테니스에서는 2013년 WTA 투어 챔피언십, 그밖에 2012년 세계 수영 선수권대회, 2012년 IAAF 세계 실내 선수권 대회, 2014년 FIBA 세계 여성 선수권 대회를 유치한 바 있다. 훗날 2032년 하계 올림픽 유치전에 도전한다.
2011년 6월 1일 스페인 올림픽 위원회 집행위 심사 결과 마드리드가 스페인 측 후보도시로 최종 결정되었다. 마드리드의 이번 유치 도전은 사상 세번째였다.

스페인은 1992년 하계 올림픽을 바르셀로나에서 개최한 전력이 있다. 마드리드는 1982년 FIFA 월드컵 결승전이 치러진 도시로, 이밖에도 UEFA 챔피언스 리그 와 UEFA 유로파 리그 , FIBA 유로배스킷 결승전, 1974년 유로하키 국가 선수권 대회, 유로피언 유도 선수권 대회, 2005년 UCI 로드 월드 챔피언십, 유로피언 가라테 챔피언십, 2005년 세계 태권도 선수권 대회, 2002년 IAAF 월드컵, 1986년 세계 수영 선수권 대회 등 다수의 국제경기를 치른 경력이 있다. 개최국 스페인은 1986년 FIBA 세계 선수권 대회와 2014년 FIBA 농구 월드컵을 유치하였으며 2014년 대회의 경우 결승전이 마드리드에서 열렸다.

### 최종후보에서 탈락한 도시
2011년 9월 1일 마감기한일 당시 아제르바이잔의 바쿠도 2020년 하계 올림픽 유치 의향을 공식 선언했다.

바쿠는 도하와 마찬가지로 이미 2016년 하계 올림픽 유치에서 탈락한 바 있으며, 2024년 하계 올림픽 유치 경쟁에 참여해야된다는 주장이 있다. 바쿠는 2015년 유로피언 게임의 개최도시이기도 하다.

2016년 하계 올림픽 유치에서 최종 후보에서 탈락한 적이 있었으며, 2011년 8월 26일 올림픽 유치를 공식 선언했다.

도하는 2006년 아시안 게임과 2011년 팬아랍 게임을 개최한 전력이 있다. 2010년에는 개최국 카타르가 2022년 FIFA 월드컵의 개최지로 선정되었다. 도하에는 국제경기를 치를 수 있는 다수의 종합경기장을 보유하고 있으며, 1988년 AFC 아시안컵과 2011년 AFC 아시안컵을 유치하기도 했다.

### 유치를 취소한 도시
2010년 5월 19일 이탈리아 국가 올림픽 위원회는 2020년 하계 올림픽 유치를 위해 물망에 오르던 로마와 베네치아 중에서 IOC의 요구 사항을 충분히 충족시킬 로마를 이탈리아의 후보로 선택했다.

로마는 1960년 하계 올림픽을 개최한 경력이 있으며 1908년 하계 올림픽도 유치한 적이 있었으나, 1906년 베수비오 화산 분화로 런던에 개최권을 넘겨준 적이 있었다. 유치 경력의 경우 2004년 하계 올림픽 유치전에 나섰으나 최종 투표에서 아테네에 밀려 탈락한 적이 있다. 이밖에 로마는 2009년 세계 수영 선수권 대회와 1990년 FIFA 월드컵 결승전을 유치한 바 있다. 유치국 이탈리아는 2006년 토리노 동계올림픽과 1956년 코르티나담페초 동계올림픽을 개최한 적이 있었으며, 훗날 2026년 동계 올림픽을 밀라노-코르티나담페초 공동개최로 다시 유치하게 된다.

로마의 올림픽 유치 준비는 신청까지 이르렀지만, 2012년 2월 14일 로마시 행정부가 이탈리아의 현 재정 상황과 유로존 부채 위기 등을 고려하면 책임있는 예산 집행이 어려울 것이라며 중도 포기를 선언했다.

### 유치에 관심을 보였으나 신청하지 않은 도시
다음은 올림픽 유치가 거론됐으나 신청에 나서지 않았거나, 공식적인 유치 희망조차 밝히지 않았던 도시들이다.

다음은 올림픽 유치를 희망했으나 9월 1일 최종마감일 기한 이전에 유치를 포기한 도시들이다. 유치 철회를 표명한 순서대로 나열하였다.