由于二战关系使得原定在东京举行的第十二届奥运会成为泡影。东京再次申请，选票超过对手布鲁塞尔、维也纳、底特律、赢得了第十八届奥运会主办权。这是首次在亚洲举行奥运会。
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。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。
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。
10月10日是大会开幕日。下午2时，东京国立体育场举行了奥运会开幕式。奥运历史上第一次由美国发射了“辛科姆”卫星，向世界各地转播。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，大会隆重、壮观。蓝天，8千只白鸽上下翱翔，5架飞机凌空盘旋，用烟花绘出了五环标志。本届奥运会进行了规模巨大的火炬接力跑。8月21日火炬于奥林匹亚点燃。9月9日空运到日本本土鹿儿岛，然后分四路传递。参加火炬接力的，全是16至20岁的青年组成的火炬队，每队正炬1人，副炬2人，伴跑20人，总约20万人，四条路线全长84公里。
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。
罗伯特·海斯和亨利·卡尔旗开得胜，夺回了美国在上届失去的100米、200米两项短跑冠军。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。获万米冠军的是美国海军陆战队的少尉威廉·米尔斯。新西兰的彼得·斯内尔取得了理想的成绩，他蝉联了800米冠军，并在1500米中取胜，成绩分别为1分45秒1和3分38秒1。
男子田径赛瓦西里·布鲁梅尔，与美国的约翰·托马斯成绩同为2.18米，只是后者跳2.16米时是第二次过杆，比他多了一次，他这才获得了金牌。贝基拉在东京是第二次获得马拉松跑奥运会冠军。
女子田径赛场也已硝烟弥漫。美国19岁的怀·泰厄斯和20岁的埃·麦圭尔分获了100米、200米冠军。麦圭尔还得了100米和4×100米接力两枚银牌。泰厄斯在100米预赛时以11秒2平了世界纪录，决赛以11秒4夺冠。英国玛丽·兰德在跳远比赛中以6.76米创世界纪录，为英国女子田径获得第一枚奥运会金牌。安·帕克尔在800米赛中再夺冠军，成绩2分01秒1，也是世界纪录。
澳大利亚迭手贝蒂·卡思伯特，获得首次列入的400米跑冠军。波兰伊琳娜·谢文斯卡初露锋芒，与队友合作在4×100米接力赛中，以43秒6创世界纪录并获金牌，她还在200米跑和跳远赛中各得了1枚银牌。
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。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，为苏联16岁的女中学生加琳娜·普罗祖明希科娃夺去
一度称雄的苏联男子体操队，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)。捷克斯洛伐克的恰斯拉夫斯卡，是东京奥运会女子体操赛中成绩最佳者，她除获全能冠军外，还在跳马、平衡木中夺得两枚金牌，并在团体赛中得了1枚银牌。
举重7枚金牌，苏联夺去了其中的4枚，其余3枚为日、波、捷均分。举重比赛共8次刷新世界纪录。苏联的维·伊凡诺夫便在单人赛艇中获胜。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。
匈牙利在击剑项目上占有较大优势，是本届击剑赛中最多的金牌得主，共得了4枚，其中包括女子花剑个人和团体两项金牌。
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。
这次苏联战绩不佳，除游泳外，田径、举重、体操、射击等所获金牌数均不如上届。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、铜牌分别为36、26、28枚；金牌数再次超过了苏联。但非正式团体总分，苏美得607.8与581.8之比，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。同美苏情况一样，日本金牌数虽多于德国联队(金10、银22、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。