Na subotnjem kongresu Međunarodnog olimpijskog odbora u Buenos Airesu u prvom krugu glasanja nitko nije dobio potrebnu većinu, Tokio je skupio 42 glasa, a Istanbul i Madrid po 26. Kako bi se odlučilo tko će u drugi krug, održano je dodatno glasanje u kojem je Istanbul dobio 49, a Madrid 45 glasova. Tako su se u završnom krugu glasanja našli Tokio i Istanbul, a pobijedio je Tokio sa 60 glasova, dok je Istanbul dobio 36.
"Mislim da rezultat glasanja nema veze s prezentacijom kandidature. Svi oni koji su gledali prezentacije lako su mogli zaključiti da je Madrid bio najbolji. Očito je da su presudili neki drugi kriteriji", izjavio je španjolski ministar obrazovanja Jose Ignacio Wert.
Ogorčen je bio i najbolji španjolski košarkaš Pau Gasol: "Mislim da posao koji smo obavili nije vrednovan na način koji smo to zalužili. Ovo je sramota, bili smo uvjereni u našu kandidaturu i imali smo dobar osjećaj. Presudili su faktori na koje ne možemo utjecati, a koji su poznati samo članovima MOO-a".
Tako će Tokio po drugi puta ugostiti najbolje sportaše svijeta, prvi je puta bio domaćin Igara 1964. godine. Istanbulu je ovo bila peta neuspješna kandidatura, a Madrid je treći puta uzastopce ostao bez OI.