Quá trình chọn thành phố đăng cai Thế vận hội Mùa hè 2016 đã được chính thức ra mắt vào ngày 16 tháng 5 năm 2007. Bước đầu tiên cho mỗi thành phố gửi một đơn đăng ký ứng cử ban đầu cho Ủy ban Olympic Quốc tế (IOC) vào ngày 13 tháng 9 năm 2007, xác nhận ý định tham gia chạy đua đăng cai. Hồ sơ tham gia tranh cử chính thức hoàn chỉnh, có chứa câu trả lời cho một mẫu gồm 25 câu hỏi của IOC, phải được mỗi thành phố xin đăng cai nộp vào ngày 14 tháng 1 năm 2008. Bốn thành phố ứng cử viên được lựa chọn vào danh sách ngắn ngày 4 tháng 6 năm 2008: Chicago, Madrid, Rio de Janeiro, và Tokyo (đã đăng cai tổ chức Thế vận hội Mùa hè 1964). IOC đã không đưa Doha vào giai đoạn ứng cử, mặc dù có điểm số cao hơn so với ứng cử viên được lựa chọn thành phố Rio de Janeiro, do ý định của họ tổ chức Thế vận hội vào tháng 10, nằm ngoài lịch thể thao của IOC. Praha và Baku cũng không đạt điểm.

Trong cuộc chạy đua đăng cai Thế vận hội Olympic 2016 đã có rất nhiều thành phố lớn tham dự như Chicago, Tokyo, Madrid, Rio và cuối cùng cái tên chiến thắng đã được ủy ban Olympic quốc tế IOC công bố, đó là Rio.

Cuộc chạy đua đã diễn ra vô cùng căng thẳng khi các thành phố tham dự đều có những điểm mạnh của riêng mình. Trong đó nổi lên là Chicago, một ngày trước khi cuộc bầu chọn diễn ra, đích thân tổng thống Mỹ đã lên tiếng kêu gọi IOC bỏ phiếu cho Chicago. Sau đó chính phu nhân tổng thống Mỹ, bà Michelle cũng có một bài phát biểu tại Copenhagen để vận động cho Chicago. Tuy nhiên, Chicago cùng với Tokyo đã bị loại ngay từ vòng 1. Chỉ còn hai cái tên cạnh tranh là Rio de Janeiro và Madrid. Và cuối cùng, Rio de Janeiro đã được trao quyền đăng cai. IOC đánh giá rất cao những nỗ lực trong suốt chiến dịch vận động đăng cai của thành phố với những lễ hội Carnival và nhạc Samba. Tuy sở hữu phong cảnh thiên nhiên tuyệt đẹp và một nền văn hóa giàu bản sắc nhưng Rio de Janeiro vẫn là một trong những nơi có tỷ lệ tội phạm cao nhất thế giới, và đó là trở ngại lớn nhất cho việc tổ chức thành công kỳ Olympic 2016 của chính quyền thành phố.