เมืองที่เสนอตัวเป็นเจ้าภาพโดยคณะกรรมการโอลิมปิกแห่งชาตินั้น ๆ รับรอง และได้รับคัดเลือกรอบแรกโดยคณะกรรมการโอลิมปิกสากล ได้แก่

• โตเกียว ญี่ปุ่น
• อิสตันบูล ตุรกี
• มาดริด สเปน

เมืองที่เสนอตัวเป็นเจ้าภาพโดยคณะกรรมการโอลิมปิกแห่งชาตินั้น ๆ รับรอง และไม่ได้รับคัดเลือกรอบแรกโดยคณะกรรมการโอลิมปิกสากล ได้แก่

• บากู อาเซอร์ไบจาน
• โดฮา กาตาร์
• โรม อิตาลี (ถอนตัว)

คณะกรรมการโอลิมปิกสากลได้ลงคะแนน เพื่อคัดเลือกเจ้าภาพกีฬาโอลิมปิกฤดูร้อน 2020 เมื่อวันที่ 7 กันยายน พ.ศ. 2556 ในประชุมคณะกรรมการโอลิมปิกสากล สมัยที่ 123 ณ โรงแรมฮิลตัน บัวโนสไอเรส ในกรุงบัวโนสไอเรส ประเทศอาร์เจนตินา โดยใช้ระบบการลงคะแนนลับ ในการลงคะแนนครั้งแรกนั้น ไม่มีเมืองใดได้คะแนนเป็นกึ่งหนึ่งของผู้ลงคะแนนทั้งหมด ซึ่งกรุงมาดริด และกรุงอิสตันบูลได้คะแนนเท่ากัน จึงได้มีการลงคะแนนรอบคัดออก เพื่อหาเมืองใดเมืองหนึ่งเข้ารอบสุดท้ายต่อไป ซึ่งการลงคะแนนรอบสุดท้ายกรุงโตเกียว ได้ถูกเลือกเป็นเจ้าภาพโอลิมปิก โดยการชนะกรุงอิสตันบูลด้วยคะแนน 60 คะแนน ต่อ 36 คะแนน