Pour la dernière fois, les épreuves d'athlétisme se disputent sur une piste en cendrée. A Mexico en 1968, le tartan deviendra le revêtement officiel.
L'Éthiopien Abebe Bikila, vainqueur du marathon de Rome en 1960, conserve son titre, cette fois-ci avec des chaussures. Il devient le premier double champion olympique du marathon. Quatre ans après sa médaille d'argent, le Russe Valeri Brumel remporte l'épreuve du saut en hauteur en réalisant 2m18 à son premier essai. Le citoyen des États-Unis Bob Hayes remporte le 100 mètres et son compatriote Henry Carr le 200 mètres. Au lancer du disque, Al Oerter remporte sa troisième médaille d'or consécutive. Il en obtiendra une quatrième à Mexico en 1968. Le Néo-zélandais Peter Snell réalise un doublé sur 800 et 1 500 mètres.
Le rameur russe Vyacheslav Ivanov est champion olympique dans la catégorie "simple scull" pour la troisième fois (Aviron).
Avant de devenir professionnel un an plus tard, le citoyen des États-Unis Joe Frazier remporte la médaille d’or des poids lourds face à l’Allemand Hans Huber (Boxe).
Le premier contrôle anti-dopage de l'histoire des Jeux olympiques est effectué après le contre-la-montre cycliste par équipes, il s'avèrera négatif.
Le Français Pierre Jonquères d'Oriola remporte en saut d’obstacles la médaille d’or individuelle et la médaille d’argent par équipes.
La Tchécoslovaque Vera Cáslavská remporte trois médailles d'or. Comme en 1956 et 1960, la soviétique Larissa Latynina confirme sa suprématie en gymnastique. Elle remporte deux médailles de chaque métal pour un total de 18 médailles olympiques dans sa carrière. Elle est également l’une des quatre athlètes, tous sports confondus, à avoir remporté neuf titres olympiques.
Pour sa première apparition aux jeux, le judo permet au Japon de remporter trois des quatre titres. L'unique défaite nipponne est vécue comme un deuil national : Akio Kaminaga, l'idole du pays, est battu par le Néerlandais Anton Geesink.
Le Hongrois Imre Polyák remporte enfin la médaille d’or après avoir terminé deuxième dans la catégorie gréco-romaine au cours des trois Jeux précédents.
Des plaques sensibles au toucher sont installées dans le bassin pour chronométrer les temps. Héros de ces Jeux olympiques de Tokyo, l'Américain Don Schollander devient le premier nageur à récolter quatre médailles d'or au cours de la même olympiade. Son compatriote Stephen Clark glane quant à lui trois titres olympiques. Dawn Fraser remporte le 100 mètres nage libre pour les troisièmes Jeux consécutifs.
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Pays participants pour la 1er fois.
Pays ayant déjà participé.
ETATS-UNIS
UNION SOVIETIQUE
JAPON
Equipe Unifiée d'Allemagne
ITALIE
HONGRIE
POLOGNE
AUSTRALIE
TCHECOSLOVAQUIE
ROYAUME-UNI
FINLANDE
CANADA