Tokyo, Istanbul dan Madrid merupakan tiga calon bandaraya. Bandaraya Baku dan Doha tidak dinaikkan pangkat kepada status calon. Bidaan dari Rome ditarik balik.

Undi

48 undi diperlukan untuk pemilihan dalam undian pertama dan & undian semula; 49 dalam undian terakhir.

IOC mengundi untuk memilih bandaraya tuan rumah untuk Sukan Olimpik Musim Panas 2020 pada 7 September 2013 di Sesi IOC ke-125 yang mengambil tempat di Buenos Aires Hilton, Buenos Aires, Argentina. Sistem undi lengkap telah digunakan. Tiada bandaraya yang menang lebih daripada 50% undi di dalam pusingan pertama dimana Madrid dan Istanbul terikat di tempat kedua. Undian semula diantara kedua-dua bandaraya tersebu dijalankan untuk menentukan bandaraya mana yang akan disingkirkan. Dalam undian terakhir diantara Tokyo and Istanbul, Tokyo dipilih selepas meraih 60 undi berbanding Istanbul yang meraih 36 undi.