Tokio kreeg de meeste stemmen in de eerste ronde, maar geen meerderheid, zodat er een tweede ronde nodig was. Voor Madrid en Istanbul waren er in de eerste ronde precies evenveel stemmen. In een bijkomende stemronde tussen de twee kreeg Istanbul 49 stemmen en Madrid 45.
Uit de tweede ronde kwam Tokio als winnaar uit de bus. De onheilspellende berichten na de kernramp in Fukushima hebben dus weinig invloed gehad. De organisatoren hadden in een brief aan de IOC-leden geschreven dat er geen gevaar is, want Tokio ligt 230 kilometer weg. Het stralingsgehalte in Tokio zou even hoog zijn als pakweg in Londen of New York.
Het is de derde keer op rij dat Madrid naast de Spelen grijpt. Voor de Spelen van 2012 kreeg Londen de voorkeur, voor die van 2016 Rio de Janeiro.
