根据规定，只要有一个城市的得票数超过半数即可宣布胜出，国际奥委会现有的106名委员中，除主席罗格主动弃权外，4申办城市所在国的委员也不能进行投票。第一轮没有城市胜出，得票最少的芝加哥被淘汰；第二轮，日本东京出局；第三轮马德里输给里约。
美国总统拉票亦败北
4大城市都派出了强大的申办阵容，美国总统奥巴马亦临时决定亲自上阵，为芝加哥摇旗呐喊。马德里市除西班牙国王卡洛斯外，还请出了前奥委会主席萨马兰奇。巴西总统卢拉则为里约助阵，同时球王比利积极展开活动。日本新任首相鸠山由纪夫也为东京出力。分析称，技术层面难分高下，外交公关等非体育因素很可能决定了胜负。
申办城市昨日先后进行最后推介，芝加哥打头阵，在当地居住了25年的美国总统奥巴马发表演说称：「芝加哥是最美国的美国城市，市民来自逾130个国家……我促请你们选择芝加哥，正如25年前我选择芝加哥一样。」
奥巴马亲赴哥本哈根拉票，虽然只有4个小时，但是美国史上首位直接在国际奥委会大会上为申奥游说的总统，亦引起一些共和党人的批评。共和党全国委员会主席斯蒂尔称，总统有更迫切的问题需要解决，比如说医疗，创造更多任务作机会等。
南美首个办奥城市
里约热内卢力争举办首个南美奥运，巴西总统卢拉说：「对其他国家而言，奥运只意味＿他们再举办一次大赛，但对我们而言，则是无与伦比的机会和对近年取得成就的肯定……里约准备好了。」他还「盗用」了奥巴马的竞选口号「是的，我们能行！」竭力拉票。巴西亦是世界10大经济体中唯一没办过奥运的。
东京申奥标榜绿色奥运，日本首相鸠山由纪夫介绍说：「东京会向世界证明，一个伟大城市如何主办奥运会，而不损害环境……东京奥运将显示人类和自然和谐共处。」马德里请来声望甚高的前奥委会主席萨马兰奇发言，89岁的萨马兰奇发表了触动人心的演说，指自己「非常接近生命的尽头」，请委员们投票给马德里。
里约海滩10万人欢呼
申奥成功的消息揭晓后，聚集在里约一个海滩的10万人爆发出响彻云霄的欢呼声，他们雀跃不已，并跳起森巴舞，现场如嘉年华般热烈，人群入夜不散。巴西总统卢拉和球王比利亦在丹麦庆祝。
申奥票数揭秘：马德里首轮胜出 里约后发制人
2016年奥运会和残奥会的举办权之争2日终于在丹麦哥本哈根尘埃落定。尽管马德里在首轮投票中势头强劲，获得票数最多，但是笑到最后的还是巴西的里约热内卢。
共有四个城市竞争2016年奥运会的举办权，在首轮投票中共有94张有效选票，西班牙马德里获得28票，里约获得26票，日本东京获得22票，美国的芝加哥只获得18票，首轮出局。
在第二轮投票中共有96张有效选票，里约获得最多的46张，马德里获得29张，东京获得20张，另有一张为弃权票，东京遭到淘汰。
在最终的投票对决中共有99张有效选票，里约获得66张最终胜出，马德里获得32张，另有一张弃权票。
