Trong thập niên 50 Nhật từng đệ đơn xin đăng cai Thế vận hội lần thứ 17. Thế nhưng thế vận hội lần thứ 16 năm 1960 được trao cho Rô-ma đăng cai, Nhật thất bại trong việc xin đăng cai. Sau đó Tô-ki-ô lại một lần nữa xin đăng cai và cuối cùng giành được quyền đăng cai thế vận hội lần thứ 18 sau khi thắng các đối thủ cạnh tranh là Brúc-xen, Viên, Đi-tơ-roi. Đây là châu Á lần đầu tiên đăng cai trong lịch sử thế vận hội.

Tô-ki-ô là một trong những thủ đô có dân số đông nhất thế giới, là Trung tâm chính trị, kinh tế và văn hoá của Nhật, cũng là một đô thị hiện đại được quan tâm trên trường quốc tế. Chính phủ và giới thể thao Nhật rất coi trọng thế vận hội Tô-ki-ô, đã xây mở rộng thành phố, cải tiến mạng điểm giao thông, xây dựng các sân bãi, nhà thi đấu thế thao và các cơ sở hạ tầng, trong đó có sân vận động Quốc gia Tô-ki-ô với sức chứa hơn 75 nghìn người, 12 sân bãi và nhà thi đấu thể thao với tổ̀ng mức đầu tư xấp xỉ 3 tỷ USD, điều này đã gây tác động xấu cho những nơi đăng cai sau này theo đuổi sự hào hoa sang trọng. Tháng 10-1963, để kiểm tra hiệu quả của các sân bãi, nhà thi đấu và tích lũy kinh nghiệp tổ chức, Nhật đã mời các vận động viên nước ngoài tới tham quan và tổ chức Tuần thể thao Thế vận hội, tiến hành các cuộc thi đấu làm quen sân.

Thế vận hội lần này diễn ra từ ngày 10 đến ngày 24-10-1964, có 93 quốc gia và khu vực với 5140 vận động viên tham gia thế vận hội lần này, trong đó có 683 nữ vận động viên, 4457 nam vận động viên. Đoàn đông nhất là Mỹ với 346 vận động viên, thứ đến là Liên bang Đức 336, nước chủ nhà 329. Liên Xô cũng cử đoàn tham gia với 319 vận động viên.