20世纪30年代柏林奥运会期间，日本东京被选为第十二届奥运会会址。由于第二次世界大战，那届奥运会成为泡影。当东京从战争灾难中复苏过来后，便提出了主办第十七届奥运会的申请，罗马捷足先登，东京落空了。随后，东京再次申请，赢得了第十八届奥运会主办权。
东京人称为东京都，是世界人口最多的首都之一，位于本州南部，东临东京湾，是日本政治、经济、文化中心，也是国际上引人注目的现代化城市。日本政府和体育界对东京奥运会非常重视，扩建了城市。改进了交通网点，兴建了体育场馆和其他设施，耗费近30亿美元巨款，这对以后奥运会主办者追求豪华设备产生了重大而深远影响。1963年10月，为了检验场馆设施效能和积累组织经验，日本特邀国外运动员前往参观，并举办了奥运会体育周，进行适应性比赛。
运动会于1964年10月10日至24日举行，参赛的有94个国家和地区的5140名运动员，其中女子683人。运动员人数最多的是美国队，共346人，其次是德国联队，336人，东道主列三，329人。前苏联也派出了319名选手参赛，仅次于美、德、日代表团。首次应邀参加的有阿尔及利亚、象牙海岸、喀麦隆、刚果、马里、尼日尔、塞内加尔、坦噶尼喀和桑给巴尔、乍得、多米尼加、特里尼达和多巴哥、蒙古、尼泊尔。马来西亚队是前次由马来亚、新加坡和北婆罗洲组成。南非因推行种族歧视政策，被剥夺了参赛资格。中国台湾派出了55名运动员，参加了田径(6人)，篮球(12人)、举重(7人)、自行车(5人)、拳击(7人)、柔道(4人)、射击(6人)、体操(8人)8个项目的比赛。
这是首次在亚洲举行的奥运会，规模也是空前的。
10月10日是大会开幕日。日本天皇裕仁及政府官员、国际奥委会主席布伦戴奇等出席了开幕式。美国发射了“辛科姆”卫星，向世界各地转播，这在奥运会史上还是第一次。1964年是现代奥林匹克运动复兴70周年，为了纪念顾拜旦这位创始人，播放了他在1936年奥运会上的法语讲话录音：“奥运会重要的不是胜利，而是参加；生活的本质不是征服(索取)，而是奋斗。”本届奥运会进行了规模巨大的火炬接力跑。最后点燃奥林匹克火焰的是日本19岁的早稻田大学学生坂井义则。他出生于广岛原子弹爆炸那天(1945年8月6日)。奥林匹克火焰是和平的象征，由坂井点燃火焰，其用意是非常明显的。
本届比赛项目，除田径、游泳(含跳水、水球)、举重、射击、篮球、足球、曲棍球、体操、击剑、自行车、摔跤、拳击、马术、赛艇、帆船、皮划艇、现代五项17个传统项目外，新增添了排球(男女)、柔道这两个日本拿手的项目。这是奥运会项目规范化后，大项数首次达到19个。比赛分散在东京市内外12个场地进行。但开、闭幕式及一些重要比赛，都在东京国立体育场。大会期间，天不作美，连绵阴雨，除田径、游泳外，观众不多。
美国在上届田径赛中遭到某些失利后，决心重整旗鼓，夺回失去的阵地。奥运会前夕，苏美田径对抗赛中，美国总分领先，这是自1958年以来历次苏美对抗赛中，美国首次获胜。
本届田径开赛后，美国咄咄逼人。美国不仅在其传统短跑项目中获胜，而且在自奥运会以来从未问鼎的5000米、10000米两个长跑项目中也得了金牌。
贝基拉在东京是第二次获得马拉松跑奥运会冠军。这位非洲长跑健将1932年出生于埃塞俄比亚的一个偏僻山村。由于家境贫赛，自小放牧。20岁时他当上了皇家卫兵，24岁时才开始练长跑。上届奥运会时，他出人意外地获得了马拉松冠军，成绩是2小时15分16秒2，破奥运会纪录。因为他是赤脚跑完全程的，因此获得了“赤脚大仙”的美称。东京奥运会马拉松跑比赛前，人们对他能否蝉联冠军有颇多猜疑：其一，在奥运会史上还没有人两次获得马拉松冠军；其二，他身体状况不佳，不久前(9月16日)刚动过盲肠炎手术；最后一点是，他毕竟年龄大了点，已经32岁了。但贝基拉又一次出人意外地获胜了，成绩是2小时12分11秒2，再创奥运会纪录，并开创了蝉联马拉松冠军的先例。贝基拉是无愧于非洲长跑“报春燕”这一称号的。
前苏联在女子田径比赛中连遭挫折，成绩远不如上届理想。但驰骋赛场的普雷斯姐妹，颇引人注目，前苏联所获的3枚金牌，全属她姐妹俩的功劳。
美国在游泳赛中再次取得出色的成就，男女18个项目，他们获得了其中13项冠军，创造了11项世界纪录。美国18岁的唐·斯科兰德在男子100米、400米自由泳和两个自由泳接力项目的比赛中，共获4枚金牌，成为本届获金牌最多的选手。上届男子游泳可与美国抗衡的澳大利亚队，这次男女成绩均不很理想，总共只拿了4枚金牌。余下的1枚游泳金牌，200米蛙泳，为前苏联16岁的女中学生加琳娜·普罗祖明希科娃夺去，这也是前苏联第一次在游泳中夺标。东道主日本游泳曾经一度在奥运会上取得出色成绩，但这次只在4×200米自由泳接力赛中得1枚铜牌。日游联主席被迫向全国道歉。鉴于美国选手都是十几岁的青少年，他要求日本文部省取消中学生不能在本地区外参加游泳竞赛的禁令。
举重比赛共8次刷新世界纪录。7枚金牌，前苏联夺去了其中的4枚，其余3枚为日、波、捷均分。东道国三宅义信在60千克级中取胜，这是日本，也是亚洲首次在奥运会举重赛中夺魁。
早在1956年，前苏联18岁的维·伊凡诺夫便在单人赛艇中获胜。传说他因极度兴奋，将金牌来回高高抛起，不慎掉入水中，未能找回。1956年后，他又在罗马和东京接连取胜，成为奥运会史上单人赛艇中唯一的三连冠选手，并且还是第一个世界赛艇冠军。
一度称雄的前苏联男子体操队，本届仅鲍·沙赫林获得单杠冠军。日本队不仅保住了男团优势，还获得了包括个人全能在内的4项冠军。远藤幸雄是其中的优秀代表，他得了3枚金牌(全能、双杠和团体)。
首次列入的柔道和排球，日本战绩最佳。柔道4个级别，日本夺得3枚金牌，另一项无差别级冠军为荷兰30岁的老将安·盖辛克获取。这位欧洲选手是50、60年代世界名将，曾3次获世界冠军和14次获欧洲冠军。
由大松博文苦心训练的，有“东洋魔女”之称的日本女排，获得了金牌，男排则由前苏联问鼎。
东京奥运会许多项目的成绩比上届又有较大幅度的提高。大会共81次破奥运会纪录，其中32次为世界纪录。即：田径世界纪录8次，奥运会纪录28次；举重世界纪录8次，奥运会纪录28次；游泳世界纪录13次，奥运会纪录19次；射击世界纪录3次，奥运会纪录6次。
自1952年前苏联第一次参加奥运会以来，美、苏两国已成为世界注目的中心，两国也开始了金牌霸主的争夺战。1952年前苏联金牌数远落后于美国，但1956、1960年两届，前苏联均超过美国。这次前苏联战绩不佳，除了游泳外，田径、举重、体操、射击等所获金牌数均不如上届。前苏联在本届比赛中共获金牌30枚，银牌31枚，铜牌35枚。而美国，金、银、铜牌分别是36、26、28枚；金牌数又一次超过了前苏联。然而非正式团体总分，苏美得607.8与581.8之比，前苏联还略微领先。日本获金牌16枚，银牌5枚，铜牌8枚，居美苏之后，列第三。与美苏情况一样，日本金牌数虽多于德国联队(金10、银22、铜18枚)，但非正式团体总分日本为234.5分，德国为237.5分，后者还多3分。