国际奥委会于2011年1月13日公布的申办流程如下：
所有申办城市必须在2011年5月23日至9月1日期间提交申办意向书。
所有申办城市必须在2012年2月15日或之前递交申办报告及保证书。
2012年5月23日：将于魁北克市公布最后候选城市。
2013年3月至4月：将对所有候选城市进行申办考察。
2013年9月7日：国际奥委会于当地时间下午5点20分（UTC-3）在阿根廷布宜诺斯艾利斯举行的第125届国际奥委会全体会议上决定由日本东京主办。 土耳其伊斯坦布尔：12票一致赞成。
西班牙马德里：12票一致赞成。
日本东京：11票同意，1票反对。 阿塞拜疆巴库：未达到举办要求而宣布退出。
卡塔尔多哈：未达到举办要求而宣布退出。
意大利罗马：因政府不支持而退出申办。 土耳其伊斯坦布尔、日本东京、西班牙马德里三个城市角逐2020夏奥会举办资格，一共有103个投票委员，国际奥委会主席罗格，日本的一个委员，土耳其的一个委员、西班牙的三个委员避嫌不参加，此外除去因故缺席的委员，第一轮实际投票人数94人。
在首轮投票中有任何一个城市的得票数超过了总票数的50%，那么这个城市就获得了2020年奥运会承办权。如果没有任何一个城市得票超过50%，那么将首先淘汰掉得票数最少的城市，然后进行第二轮投票。如果只剩下两个城市对决时，那么得票多的城市胜出。投票采取秘密方式进行，每轮过后只宣布被淘汰的城市，不宣布每个城市的得票数。
第一轮投票结果：东京获得42票，伊斯坦布尔和马德里均获得26票，伊斯坦布尔和马德里进入附加投票。在附加投票中，伊斯坦布尔获得49票，马德里获得45票，马德里首轮出局。第二轮投票在东京和伊斯坦布尔之间展开。
第二轮投票表决共有97名国际奥委会委员参加投票。东京获得60票，伊斯坦布尔获得36票，另有1票弃权。国际奥委会主席雅克·罗格随即宣布，东京获得第32届夏季奥运会主办权。
这是继1964年日本东京第一次举办（也是亚洲第一次举办）夏季奥运会以来日本第二次获得夏季奥运会的主办权，这也将是夏季奥运会时隔12年再一次回到亚洲。
投票结果 2020年夏季奥林匹克运动会主办城市投票 申办城市 国家 第一轮 附加投票 第二轮 东京 日本 42 － 60 伊斯坦布尔 土耳其 26 49 36 马德里 西班牙 26 45 － 1：东京拥有雄厚的资金，稳定的社会气氛和治安。
2：东京交通系统完善，拥有世界最复杂的地铁系统。
3：东京曾经举办过1964年的夏季奥运会，对举办大型赛事有一定经验。
