国际奥委会于2011年1月13日公布的申办流程如下:
所有申办城市必须在2011年5月23日至9月1日期间提交申办意向书。
所有申办城市必须在2012年2月15日或之前递交申办报告及保证书。
2012年5月23日：将于魁北克市公布最后候选城市。
2013年3月至4月：将对所有候选城市进行申办考察。
2013年9月7日：将在阿根廷首都布宜诺斯艾利斯举行的第125届国际奥委会全体会议上决定主办权
候选城市

东京申办2020年奥运会（候选城市）会徽以樱花及复兴团结为题

马德里申办2020年奥运

伊斯坦布尔申办2020年奥运
申办城市
土耳其伊斯坦布尔：12票一致赞成，通过
西班牙马德里： 11票赞成，1票反对，通过
日本东京： 11票赞成，1票反对，通过
土耳其伊斯坦布尔：（曾申办2000年和2008年夏季奥林匹克运动会，并进入最后决选城市名单中。）
西班牙马德里：（曾申办2012年和2016年夏季奥林匹克运动会，并进入最后决选城市名单中。）
日本东京：2011年7月16日东京都知事石原慎太郎在日本奥委会创立一百周年纪念会中宣布申办2020年奥运，并定名为复兴奥运；并在2011年12月13日的内阁会议上通过。
已取消申办城市
下列城市原本有意申办，却因各项因素取消或退出申办计划。
阿塞拜疆巴库：宣布退出（曾申办2016年夏季奥林匹克运动会，但未获选为最后决选城市。）
卡塔尔多哈：宣布退出（曾申办2016年夏季奥林匹克运动会，但未获选为最后决选城市。）
澳大利亚布里斯班
埃及开罗
德国柏林
匈牙利布达佩斯
印度德里
肯尼亚（城市未定）
墨西哥瓜达拉哈拉
摩洛哥卡萨布兰卡
葡萄牙里斯本
捷克布拉格
罗马尼亚布加勒斯特
日本广岛
韩国釜山
法国巴黎
阿联酋迪拜
加拿大多伦多
南非德班
俄罗斯圣彼得堡
美国（多个城市皆有申办计划，但美国奥委会并无此打算。）
意大利罗马（曾成功举办1960年夏季奥林匹克运动会）