O processo de eleição da cidade-sede dos Jogos Olímpicos de Verão de 2016 ocorreu entre 2007 e 2009 e contou com a participação de sete cidades de três continentes. Outras ainda planejaram participar do processo, mas não se inscreveram.
Em 13 de setembro de 2007 encerrou-se o prazo de inscrições. Duas cidades da América (Chicago e Rio de Janeiro), duas da Ásia (Doha e Tóquio) e três da Europa (Baku, Madri e Praga) oficializaram a postulação. Em junho de 2008, o Comitê Olímpico Internacional escolheu, baseado no relatório do Grupo de Trabalho designado para analisar os sete projetos, as quatro cidades que se tornariam finalistas: Chicago, nos Estados Unidos, Tóquio, no Japão, Rio de Janeiro, no Brasil, e Madri, na Espanha.
A segunda fase começou com o Programa de Observação dos Jogos Olímpicos de Verão de 2008, em Pequim. Depois de elaborar o seu livro de candidatura e receber a visita da Comissão Avaliadora do Comitê Olímpico Internacional, as cidades agora candidatas participaram, em junho, de um encontro, promovido pela primeira vez na história, com os membros do COI, que elegeriam a cidade-sede dos Jogos de 2016.
Em setembro, a Comissão Avaliadora divulgou o relatório com suas impressões sobre os projetos finalistas. Tóquio, a cidade que teve a nota preliminar mais alta, perdeu o favoritismo, principalmente devido aos baixos níveis de apoio popular que a candidatura recebia. Chicago sofreu com protestos internos e com problemas com as leis americanas. Madri também teve problemas com a legislação, sofrendo sérias críticas da Comissão Avaliadora. O Rio de Janeiro, apesar de ter tido boas notas, teve problemas com a acomodação e os transportes. As avaliações foram consideradas equilibradas, não sendo possível até então apontar alguma cidade como favorita, nem pelo presidente do COI, Jacques Rogge, nem pelos membros da entidade, que tinham o direito de escolher a vencedora, assim como por órgãos de imprensa e sites especializados.
A cidade-sede dos Jogos Olímpicos e Paralímpicos de Verão de 2016 foi escolhida em 2 de outubro de 2009, em Copenhague, na Dinamarca, em votação durante a 121ª Sessão do Comitê Olímpico Internacional. Após as eliminações de Chicago e Tóquio, Madri e Rio de Janeiro chegaram à final, vencida pela candidatura brasileira, com mais de 2/3 dos votos. Esta é a primeira vez que os Jogos Olímpicos terão uma sede na América do Sul.
O processo de eleição da cidade-sede de uma edição dos Jogos Olímpicos dura sete anos, começando com a inscrição da cidade postulante, através de seu Comitê Olímpico Nacional, e terminando com a eleição da sede, realizada durante uma Sessão do COI. O processo é regido pela Carta Olímpica, em seu quinto capítulo. Após o prazo de inscrições, as cidades postulantes respondem a um questionário com temas importantes para uma organização bem sucedida. Após um estudo detalhado dos questionários, o Comitê Executivo do COI seleciona as cidades classificadas para a fase seguinte, as candidatas oficiais. Na segunda fase, as cidades candidatas respondem a outro questionário, mais detalhado. Esses documentos são cuidadosamente estudados pela Comissão Avaliadora do COI, que também faz inspeções de quatro dias em cada uma das cidades candidatas, nas quais verifica os locais de competição planejados e conhece detalhes dos projetos. A Comissão Avaliadora divulga, cerca de um mês antes da Sessão em que vai ocorrer a votação, um relatório com as impressões do grupo. Na Sessão do COI em que ocorre a eleição, os membros ativos do Comitê Olímpico (excluindo os honorários) têm direito a um voto cada. Membros de países com cidades candidatas não podem votar enquanto estas não forem eliminadas. O processo é repetido quantas vezes for preciso até que uma candidata atinja a maioria absoluta dos votos. Se isso não acontecer na primeira rodada, a cidade com menos votos é eliminada e uma nova sessão começa. Em caso de empate no último lugar, uma rodada extra ocorre para desfazê-lo, com a vencedora se classificando para a seguinte. A cada rodada o nome da cidade eliminada é anunciado. Após o anúncio final, a cidade-sede eleita assina o "Contrato de Cidade-sede" com o COI, que delega as responsabilidades de organizar os Jogos ao país e ao seu respectivo CON.
Durban: o prefeito da cidade manifestou desejo de se candidatar. No entanto, o projeto não foi entregue.
Berlim e Hamburgo: as duas, que foram subsedes da Copa do Mundo FIFA de 2006, desistiram da disputa pelos Jogos de 2016 por considerarem serem maiores as chances quatro anos mais tarde.
Buenos Aires: a cidade, que já foi candidata a sede dos Jogos de 2004, apenas sinalizou uma possível candidatura.
Bruxelas: a capital da Bélgica desistiu da candidatura por considerar a vitória inatingível.
Montreal: a sede dos Jogos Olímpicos de Verão de 1976 manifestou o desejo de se candidatar, mas não o oficializou.
Dubai: a maior cidade dos Emirados Árabes Unidos manifestou o desejo de oficializar uma candidatura e desistiu.
Los Angeles, São Francisco, Houston e Filadélfia: Los Angeles perdeu a eleição interna nos Estados Unidos para Chicago. São Francisco também concorria, mas desistiu. Houston e Filadélfia não chegaram ao final do processo interno.
San Diego/Tijuana: a proposta de realizar os Jogos em duas cidades de dois países diferentes foi rejeitada pelo Comitê Olímpico dos Estados Unidos.
Nova Déli: preferiu adiar os planos para 2020.
Roma: desistiu após as vitórias de Londres para 2012 e Sochi para os Jogos Olímpicos de Inverno de 2014.
Fukuoka: a cidade perdeu a eleição interna no Japão para a capital Tóquio.
Monterrey: o Comitê Olímpico do México rejeitou a candidatura da cidade.