2020年夏季オリンピックの開催地選考
立候補申請-1次選考
2011年5月16日、IOC が2020年夏季オリンピック開催地の選考スケジュールを発表し、立候補の申請手続きを開始した。2020年大会の開催地選考から、新たに世界アンチ・ドーピング機関規定への準拠とスポーツ仲裁裁判所の司法権の事前調査のため、立候補を希望する都市は7月29日までに IOC に文書を提出することが義務化された。そして9月1日に立候補の申請が締め切られ、翌2日に IOC がバクー、ドーハ、イスタンブール、マドリード、ローマ、東京の6都市から申請を正式に受理したと発表した。立候補すれば有力候補になるだろうと注目されていた南アフリカ国内の都市は最後まで候補都市を選出しようとしていたが、最終的に断念した。その後、11月3日-11月4日に行われた申請都市への説明会を経て、2012年2月15日に開催計画の概要を記した申請ファイルの提出期限が締め切られ、イスタンブール、東京、バクー、ドーハ、マドリードの5都市が提出したと IOC が発表した。同じく立候補していたローマは、ユーロ危機によるイタリアの財政悪化からの脱却を進めるマリオ・モンティ首相がローマの招致計画を支持しないことを決定し、2月14日にローマは立候補を取り下げた。これにより、2020年夏季オリンピックの招致レースは5都市による戦いとなった。4月14日、モスクワで開かれた各国オリンピック委員会連合 (ANOC) の総会で申請都市による初のプレゼンテーションが行われ、各都市が招致計画や理念などを説明した。
5月23日、カナダのケベック・シティーで開かれたIOC理事会で1次選考が行われ、開催能力があると認められた都市が正式立候補都市に選出された。1次選考は、IOC のワーキンググループが作成した各都市の評価報告書を基に行った。評価報告書では、14項目（「競技会場・会場配置」、「選手村」、「国際放送センター (IBC)・メインプレスセンター (MPC)」、「過去の国際大会開催実績」、「環境・気象」、「宿泊施設」、「交通・輸送計画」、「医療・ドーピング対策」、「治安・警備計画」、「通信」、「エネルギー」、「通関・入国管理」、「政府・世論の支持」、「財政・マーケティング」）ごとに各都市に考えられる最低点と最高点を表記し、最後に各都市のメリットとデメリットを併記した総合的な評価を加えている。また、1次選考を行う理事会に対し、正式立候補都市に選出するに値するかについても表記している。これまでの大会の選考過程では、11項目ごとにそれぞれ最低点と最高点を表記し、総合平均点で1次選考を行っていたが、今大会の選考過程からは項目を14項目に増やし、総合平均点は出さずに口頭での評価を行い、IOC によって行われた世論調査の結果も記載された。
1次選考-開催地決定
1次選考を通過した3都市は、オブザーバーとして2012年に開幕するロンドンオリンピックおよびロンドンパラリンピックを視察し、現地でPR活動を行った。2012年9月6日、IOC は立候補都市を現地視察する評価委員会のメンバーと視察の日程を発表し、委員長には IOC のクレイグ・リーディー副会長が就任した。
マドリード
マドリードは2011年6月1日に立候補を表明し、スペインオリンピック委員会のブランコ会長が招致委員会のトップに就任した。2012年2月14日、ユーロ危機で財政難に見舞われていたイタリアのローマが立候補を取り下げたことを受け、同じく財政難に見舞われているスペインに対しても五輪開催の能力に疑問が呈じられたが、マドリードの招致委員会はほとんどの競技施設がすでに建設済みであることから、マドリードの計画に財政的な不安はないとしてこれらの懸念を否定した。マドリードは2012年大会と2016年大会に2大会連続で立候補したが、それぞれ3番目、2番目の票数で敗れている。今回で3大会連続の立候補となったが、今までマドリードへの五輪招致に欠かせない存在だったフアン・アントニオ・サマランチ前IOC会長が2010年に亡くなったため、これまでのように票が集まるかどうかは難しい状況となった。2012年5月の1次選考では交通面や競技施設の項目など10項目で9点の評価を受けるなど、東京と同様に都市基盤で高い評価を受けている。また、政府の支援・国民および市民の支持も高い。今回は「スマート五輪」をテーマに掲げ、36の競技会場中27会場が既存施設であることも計画の目玉であるが、1次選考で発表された報告書ではユーロ危機による財政不安によって、新設する会場の建設費やスポンサーの内定などに影響が出かねないと指摘されており、招致専門サイトなどの評価でも東京やイスタンブールと比べるとやや招致レースでは遅れている。しかしながら、IOC委員の過半数近くをヨーロッパ出身の委員が占めているため、マドリードは一定の票を確保できるのではとの見方もある。マドリードの招致ロゴは公募により決まったが、採用されたロゴの製作者が考案したロゴとは、デザインが大幅に変更されていたことや盗作疑惑も持ち上がり、メディアでも大々的に報じられた。それでも、ロゴの変更は行われていない。
イスタンブール
2011年7月7日にトルコオリンピック委員会がイスタンブールを国内候補都市に選出し、トルコのエルドアン首相が8月13日に正式に立候補を表明した。イスタンブールはこれまで2000年夏季オリンピック-2012年夏季オリンピックに4大会連続で立候補したが、2000年大会では1回目の投票で最下位（7票）となり落選、2008年大会は2回目の投票で最下位（9票）となって落選している。2004年大会と2012年大会は1次選考で落選している。今回で5度目の挑戦となり、イスタンブールはここ数年、競技会場の建設やインフラの整備が急速に進んだことや、トルコ経済の順調な発展を背景にイスラム圏初の五輪開催を目指している。イスタンブールはこれまでの招致活動で、国際大会の開催経験不足などを指摘されていたが、2010年にバスケットボール世界選手権の決勝戦を開催し、2012年3月には陸上の世界室内選手権の開催に成功し、着々と開催経験を積んでいる。しかし、2012年4月にトルコは2020年のサッカー欧州選手権開催地に立候補した。IOC の規定では、オリンピックの同年に大規模なスポーツイベントを開催することは禁じられているため、IOC のジャック・ロゲ会長は「もしイスタンブールが五輪開催地に選ばれたら、トルコは欧州選手権の開催を辞退しなくてはならない」と述べた。その後、欧州サッカー連盟 (UEFA) のミシェル・プラティニ会長がヨーロッパの多くの国が財政難に陥っている現状を踏まえ、2020年大会を欧州各国での広域開催とする案を提案。2012年12月6日の理事会で広域開催が決定した。一方、トルコや国際サッカー連盟はこの決定に否定的な意見を述べている。また、隣国シリアの内戦が収まらず、大規模な軍事衝突の懸念がある。イスタンブール招致委員会のトップはヤルシン・アクソイが努め、メインスタジアムは2005年にUEFAチャンピオンズリーグ決勝戦の舞台となったアタテュルク・スタジアムとする計画を打ち出している。1次選考ではインフラ面や交通面で指摘を受けたものの、潜在能力があると評価されて正式立候補都市に選出された。また、1次選考の際に発表された IOC の報告書では IOC が行った世論調査で市民の支持が7割を超えており、政府による強固な支援とともに高く評価された。イスタンブールがオリンピックの開催地選考で最終候補まで残ったのは2008年大会の選考以来3度目である。イスタンブールの招致委員会は2013年1月21日、トルコ航空などトルコ国内の7社と総額2千万ドル（約18億円）のスポンサー契約を結んだ。
東京
2011年7月16日に立候補を表明。東京は前回2016年夏季オリンピックに立候補したが、2回目の投票で最下位(20票)となり落選した。2011年3月11日に発生した東日本大震災における全世界からの支援に対する返礼や震災復興、震災時に示されたスポーツの力、1964年東京オリンピック以来56年ぶりの日本開催を掲げ、施設面や財政面で優れている東京で五輪を開催することを目指している。また、震災から復興してきた姿を見せることや、戦後60年以上一貫して平和を貫いてきた日本で五輪を開催することで、世界で起きている災害や紛争で苦しむ人々を勇気づけることも理念に掲げている。
被災地である宮城県の宮城スタジアムでサッカーの予選を開催するほか、三陸沿岸で聖火リレーを行い、事前キャンプを被災地に招致する計画を打ち出している。開閉会式や陸上競技などを行うメインスタジアムは改築予定の国立霞ヶ丘陸上競技場とし、晴海埠頭に建設する選手村を中心とした半径8km以内に8割の会場が収まるコンパクトな会場配置計画となっている。
東京は強固な財政力と良好な治安、インフラ面で前回2016年五輪開催地選考における1次選考では、立候補都市の中で最も高い評価を受けた。今大会の開催地選考でも東京の計画への評価は高く、2012年5月の1次選考でも総合評価のコメントで立候補都市の中で唯一「非常に質が高い」と記述され、正式立候補都市に選出された。同じアジアのドーハが1次選考で脱落したため、前回同様に一定のアジア票は確保できるとの見方が強い。課題として挙げられているのは、IOC の報告書で指摘された夏季のピーク時における電力不足と都民の低い支持率である。招致委員会理事長に日本オリンピック委員会 (JOC) の竹田恒和会長、CEO にJOCの水野正人副会長、後援的組織である評議会会長を石原慎太郎東京都知事が務め、委員の中には五輪招致に賛同している被災3県の知事も名を連ねていたが2012年10月に石原氏が都知事を辞任し、その後東京都知事選挙で当選を果たした猪瀬直樹副知事が後任の会長に就任した。招致ロゴは友好の印として世界中に送られてきた桜を使用して「再び戻る」を意味するリースを模り、震災からの復興や経済の復活、半世紀ぶりの夏季五輪開催をイメージしている。