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 。

2013年11月14日，2020年东京奥运会首次筹办工作会议在东京都北区味之素国家训练中心举行。 

2016年8月3日，国际奥委会第129届全会在里约热内卢举行，滑板、冲浪、攀岩、棒垒球和空手道5个大项进入2020年东京奥运会；12月21日，由国际奥委会、东京奥组委、东京都政府以及日本政府参与的四方协商会议在东京召开，会议上东京奥组委发表了2020年东京奥运会及残奥会经费估算情况，总预算规模达1.6万亿至1.8万亿日元   。

2017年12月22日，2020年东京奥运会及残奥会经费估算第一次修订版发布，总预算规模为1.35万亿日元，较第一版削减约1500亿日元，主要削减原因为场馆建设成本简化及赞助商提供资金增加   。

2018年3月，2020年东京奥运会及残奥会期间，日本决定将大型邮轮作为酒店使用，把东京、千叶、神奈川的5处码头被作为“轮船酒店”的停泊港口  ；7月3日，2020年东京奥组委确定包括儿童、老年人、残障人士在内的团体票价格为2020日元，适用于除开幕式、闭幕式之外的几乎所有比赛 [30]  ；7月18日，国际奥组委理事会正式通过了2020年东京奥运会赛程基本框架，竞技赛事将从2020年7月24日开始举行，延续至8月9日  ；12月21日，2020年东京奥运会及残奥会经费估算第二次修订版发布，总预算规模为1.35亿日元 [  。

2019年12月20日，2020年东京奥运会及残奥会经费估算第三次修订版发布，总预算规模为1.35亿日元 ；12月30日，日本媒体报道，对于在2020年东京奥运会水球赛场地、东京辰巳国际游泳中心发现的致癌物石棉 ，东京都政府表示将采取紧急措施进行应对  。

2020年2月，国际奥委会高级成员表示如果COVID-19疫情在5月下旬得不到控制，2020年东京奥运会可能将被取消，而不是推迟或换城市举办   ，2020年东京奥组委首席执行官武藤敏郎表示3月26日开始在日本本土进行的奥运会火炬接力可能缩小规模，但绝对不会取消 ；3月12日，2020年东京奥运会火炬在希腊点燃，并在希腊传递8天；3月20日，2020年东京奥运会火炬抵达日本；3月24日，日本首相安倍晋三与国际奥委会主席巴赫达成共识，最晚在2021年夏天举办2020年东京奥运会 ；3月26日，2020年东京奥运会火炬在福岛国家训练中心开始进行火炬接力，并在47个都道府县传递  ；3月30日，国际奥委会、东京奥组委、日本政府联合宣布，2020年东京奥运会于2021年7月23日至8月8日举行   ；4月7日，国际奥委会宣布，2020年东京奥运会各竞技项目预选赛应在2021年6月29日前举行，各国家和地区的参赛选手应在2021年7月5日前完成注册   ；7月17日，东京奥组委公布2020年东京奥运会新比赛日程，大会于2021年7月23日至8月8日举行，为期17天，共设33个大项339个小项的比赛，具体比赛日程和比赛场地已全部确定 。

2021年4月22日，2020年东京奥运会七人制橄榄球测试赛在东京体育场举行，这是自COVID-19疫情发生后来，东京奥组委举行的第一场公开的测试赛  ；6月19日，东京都知事小池百合子宣布，2020年东京奥运会期间东京都将取消一切公众观赛活动，部分活动场馆将用于新冠疫苗接种  ；2021年7月3日，2020年东京奥运会由于需要参加开幕式的运动员保持社交距离，增加了入场的时间，原计划在7月23日晚8点到11点举行的开幕式，将延长到11点半结束，参加闭幕式的运动员将比往届奥运会大幅度减少，闭幕式也将在8月8日晚10点半结束，比原计划提前半个小时  ；7月15日，2020年东京奥运会马术盛装舞步项目36匹用马抵达东京国际机场  。