2011年5月16日，2020年夏季奥运会申办程序启动，申办意向书截止提交日期为2011年9月1日  ；9月2日，国际奥委会确认有巴库、多哈、伊斯坦布尔、马德里、罗马和东京6座城市向其提交了2020年奥运会的申办申请  ；11月3日至4日，2020年奥运会申办城市研讨会于洛桑举行 。

2012年2月14日，2020年奥运会申办城市罗马宣布因欧元危机导致财政恶化而放弃竞选 ；2月15日，2020年奥运会5座申办城市向国际奥委会提交相关申办文件和担保函；4月13日至15日，第18次各国奥林匹克协会总会在莫斯科举行，2020年奥运会5座申办城市在大会上对申奥计划和理念进行说明 ；5月23日，国际奥委会执行委员会会议在魁北克召开，伊斯坦布尔、东京、马德里被列为2020年奥运会正式候选城市 ；7月27日至8月12日，2020年奥运会候选城市派出奥运观察员赴伦敦进行考察学习 。

2013年1月7日，2020年奥运会候选城市向国际奥委会递交候选资格文件   ；3月4日至7日，国际奥委会评估委员会访问东京  ；3月18日至21日，国际奥委会评估委员会访问马德里；3月24日至27日，国际奥委会评估委员会访问伊斯坦布尔；6月25日，国际奥委会评估委员会发布技术分析评估报告  ；7月3日至4日，国际奥委会特别会议在洛桑举行，2020年奥运会候选城市分别向国际奥委会委员进行45分钟陈述与45分钟问答  ；9月7日，国际奥委会第125次全会在布宜诺斯艾利斯举行2020年奥运会举办地投票，土耳其总统雷杰普·塔伊普·埃尔多安、日本皇室成员高圆宫久子王妃、日本首相安倍晋三、西班牙国王费利佩六世依次上台进行陈述演讲 。第一轮投票中东京以42票排名首位，但票数未过半，故东京进入下轮投票，另外两座城市进行附加投票，附加投票中伊斯坦布尔获得49票进入下一轮投票，马德里以4票之差落选，第二轮的投票中东京以60票的过半票数取胜，最终获得2020年第32届夏季奥林匹克运动会的主办权 。