A candidatura Rio 2016 foi motivada pelo desejo de associar o poder dos esportes Olímpicos e Paralímpicos ao espírito festivo dos cariocas, com o objetivo de trazer desenvolvimento sustentável para o Brasil e para os Movimentos Olímpico e Paralímpico. Para os cariocas, esse desenvolvimento seria associado à transformação da cidade, com o surgimento de uma nova infraestrutura urbana, novas iniciativas ambientais, físicas e sociais, além de vantagens e oportunidades para todos. Outra motivação foi a possibilidade de estimular com os Jogos o crescimento contínuo da economia e do turismo no país, trazendo para o Brasil um novo nível de reconhecimento internacional e reforçando a reputação do país de ser um lugar apaixonante, onde é bom viver, realizar negócios e fazer turismo. Além disso, sempre foi parte da visão de longo prazo do Comitê Olímpico Brasileiro (COB) e de seu presidente, Carlos Arthur Nuzman, vislumbrar na organização de grandes eventos no Brasil como a melhor forma de acelerar o desenvolvimento do esporte no país.
Após o Rio ter sido eliminado da disputa pela sede dos Jogos Olímpicos de 2004, a Assembleia Geral do Comitê Olímpico Brasileiro (COB), composta pelas Confederações de todos os esportes Olímpicos, decidiu por unanimidade abrir mão de tentar de novo para 2008 para disputar a sede dos Jogos Pan-americanos de 2007. Realizar com sucesso o maior evento esportivo das Américas, e o segundo maior do mundo, poderia credenciar o Brasil para a conquista dos Jogos Olímpicos e Paralímpicos.
Com a vitória do Rio na disputa com San Antonio para receber os Jogos Pan-americanos, o COB retomou o projeto Olímpico brasileiro, desta vez visando aos Jogos de 2012. Em julho de 2003, a Assembleia do COB elegeu o Rio de Janeiro, derrotando São Paulo, como a cidade brasileira aspirante a candidata a sede.
O Rio foi eliminado novamente, mas suas candidaturas para 2004 e 2012 foram entendidas como parte de um processo em constante movimento, no qual os pontos positivos foram reforçados e os negativos, aperfeiçoados e corrigidos para garantir, mais adiante, a organização de uma nova tentativa de candidatura.
Em 25 de agosto de 2006, o Conselho Executivo do COB decidiu apresentar à Assembleia da entidade a proposta do Rio como cidade postulante a 2016, que foi aprovada por aclamação, pouco mais de dois anos depois da desclassificação da capital carioca para os Jogos de 2012. Naquele momento, a realização dos Jogos Pan-americanos abria um caminho natural para uma nova tentativa de efetivação do projeto Olímpico brasileiro. Essa visão se mostrou acertada com a vitória do Rio de Janeiro na disputa pelos Jogos de 2016.
O Rio de Janeiro foi escolhido sede dos Jogos Olímpicos e Paralímpicos de 2016 pela 121ª Sessão do Comitê Olímpico Internacional (COI), a assembleia geral da entidade, em Copenhague, Dinamarca, no dia 2 de outubro de 2009. O Rio venceu a rodada final de votação por 66 votos contra 32 da outra finalista, Madri.
O resultado de todas as rodadas de votação foi o seguinte:
| Rodadas de votação | 1 | 2 | 3 |
| Rio de Janeiro | 26 | 46 | 66 |
| Madri | 28 | 29 | 32 |
| Tóquio | 22 | 20 | |
| Chicago | 18 |
Todas as cidades candidatas precisavam entregar sólidas propostas técnicas, e foi isso que o Rio de Janeiro fez. Outros pontos decisivos foram a união dos três níveis de governo, o fato de os Jogos nunca terem sido realizados na América do Sul e de o povo brasileiro ser conhecido mundialmente por sua forma de celebrar o esporte. Além disso, o Comitê Olímpico Internacional percebeu o poder de transformação que estes Jogos significam para o Rio, para o Brasil e para a América do Sul. Para os Movimentos Olímpico e Paralímpico, essa decisão significou abrir uma nova e promissora fronteira e inspirar 65 milhões de jovens com menos de 18 anos no Brasil 180 milhões por todo o continente.
Fase I – Cidade Aspirante: R$ 9.106.905,02
| Receitas | Governo Federal | Governo Estadual | TOTAL |
| Recursos públicos | 3.022.097,88 | 3.279.984,98 | 6.302.082,86 |
| Doações de indivíduos | TOTAL | ||
| Recursos privados | 2.804.822,16 | 2.804.822,16 | |
| TOTAL GERAL | 9.106.905,02 | ||
Fase II – Cidade Candidata: R$ 80.995.946,63
| Receitas | Recursos públicos | Recursos privados | TOTAL GERAL | |
| Governo federal | 47.402.531,75 | Instituto EBX | 13.000.000,00 | |
| Governo Estadual | 3.617.556,00 | Eike Bastista | 10.000.000,00 | |
| Governo Municipal | 4.995.620,93 | Bradesco S/A | 3.500.000,00 | |
| Odebrecht S/A | 3.300.000,00 | |||
| Embratel S/A | 3.000.000,00 | |||
| TAM* | 1.233.726,00 | |||
| TOTAL | 56.015.708,68 | 34.033.726,00 | 90.049.434,68 |
* A TAM forneceu R$ 1.233.726,00 em forma de descontos em passagens aéreas
NOTA: O saldo residual foi usado para financiar os primeiros meses de operação do Comitê Organizador Rio 2016
Uma das premissas dos Jogos Rio 2016 desde a época da candidatura é o uso de todas as instalações esportivas dos Jogos Rio 2007.
