Ngày 9 tháng 5 năm 2013, Bach xác nhận tranh cử chức Chủ tịch của Ủy ban Olympic quốc tế.[6][7]

Bach được bầu trong nhiệm kỳ tám năm chức Chủ tịch IOC tại Kỳ họp thứ 125 của IOC tại Buenos Aires ngày 10 tháng 9 năm 2013. Ông giành được 49 phiếu trong vòng bầu cuối cùng, giúp ông có đa số phiếu cần thiết. Ông kế nhiệm Jacques Rogge người là Chủ tịch IOC từ 2001 tới 2013.[8] Bach sẽ được quyền tranh cử thêm một nhiệm kỳ bốn năm nữa tại Kỳ họp thứ 133 của IOC từ 2021 tới 2025.[9]

Bach đã vượt qua năm ứng cử viên khác, Sergey Bubka, Richard Carrión, Ng Ser Miang, Denis Oswald và Wu Ching-Kuo.[9] Dưới đây là kết quả bầu:

Sau khi được bầu làm Chủ tịch IOC, Bach tuyên bố muốn thay đổi quá trình vận động đăng cai Thế vận hội và ưu tiên việc phát triển bền vững. make sustainable development a priority. Ông cảm thấy rằng quá trình hiện nay "quá nhiều, quá sớm".[12] Cuộc vận động đăng cai đầu tiên dưới thời ông làm Chủ tịch sẽ là Thế vận hội Mùa đông 2022. Những thành phố được công bố vào tháng 11 năm 2013 và thành phố chủ nhà, Bắc Kinh, được bầu tại Kỳ học thứ 128 của IOC tại Kuala Lumpur, Malaysia, vào tháng 7 năm 2015.

Bach chính thức chuyển tới văn phòng chủ tịch IOC Presidential tại Trụ sở IOC ở Lausanne, Thụy Sĩ, ngày 17 tháng 9 năm 2013, một tuần sau khi được bầu làm Chủ tịch.[13] Ông nói được tiếng Anh, Đức, Pháp và Tây Ban Nha.[14]