Tokyo, Istanbul, và Madrid là ba thành phố ứng cử viên. Các thành phố ứng cử viên của Baku (Azerbaijan) và Doha (Qatar) đã không được thăng cấp lên vị trí ứng cử viên. Một giá thầu từ Roma đã được rút lui.

Bầu cử thành phố chủ nhà

IOC đã bỏ phiếu để lựa chọn thành phố đăng cai Thế vận hội Mùa hè 2020 vào ngày 7 tháng 9 năm 2013 tại phiên họp IOC lần thứ 125 tại Buenos Aires Hilton ở Buenos Aires, Argentina. Một hệ thống bỏ phiếu đầy đủ đã được sử dụng. Không có thành phố nào giành được hơn 50% số phiếu trong vòng 1, Madrid và Istanbul được xếp ở vị trí thứ hai. Một cuộc bỏ phiếu giữa hai thành phố này đã được tổ chức để xác định cái nào sẽ bị loại. Trong cuộc bỏ phiếu cuối cùng, một cuộc thi đối đầu giữa Tokyo và Istanbul, Tokyo đã được chọn với 60 phiếu bình chọn so với 36 phiếu của Istanbul, cao hơn số phiếu tối thiểu cần có là 49 phiếu.