北京时间10月2日14点45分，美国的芝加哥开始了自己的陈述。以肤色各异、年龄不同的青少年为主角的宣传片穿插在芝加哥市长戴利的承诺、芝加哥奥申委主席瑞安的推介以及北京奥运会男子十项全能金牌得主克莱等人现身说法的过程中。最后一刻才决定亲临陈述现场的奥巴马总统最后一个发言。他力劝委员们选择芝加哥，正如同他选择了芝加哥一样。

16点25分，日本首都东京第二个进行陈述。新任日本首相鸠山由纪夫将东京的申奥又提高了一个境界，强调东京是环境可持续发展的未来楷模，而体育、文化与环境的和谐发展是奥林匹克运动的重要使命。

18点05分，巴西的里约热内卢第三个登场陈述。节奏强烈的桑巴音乐给人无限动感，代表团陈述人员也不断传达着里约、巴西乃至南美洲对于举办２０１６年奥运会的激情。巴西总统卢拉重申，巴西是世界十大经济体中唯一没有举办过奥运会的。最先致辞的国际奥委会委员阿维兰热说，里约准备好了。

20点45分，西班牙首都马德里最后一个亮相陈述。虽然西班牙国王和王后的大驾光临为马德里申奥增加了砝码，西班牙首相萨帕特罗也不遗余力地为马德里宣传出力，但萨马兰奇无疑是马德里申奥的最大"王牌"。这位国际奥委会终身名誉主席站上哥本哈根贝拉中心的陈述台，发出生命终止前的请求。

北京时间10月2日23点，国际奥委会的委员们首先在模拟投票中试用了投票系统，随后是通过抽签的形势确定申办城市编号：4号-芝加哥、7号-里约热内卢、8号-东京、9号-马德里。

23点20分，罗格宣布第一轮投票结果，在94张有效票中美国的芝加哥得票最少，不参加下一轮投票；23点25分第二轮投票结束，96张有效票中日本东京得票最少，惨遭淘汰，至此仅剩下里约热内卢和马德里两城市竞争。

北京时间10月3日凌晨0点45分，国际奥委会主席罗格从17岁丹麦青年手球选手佩德森手中接过一个密封的信封，罗格先生亲自宣布：获得2016年夏季奥运会举办权的城市是里约热内卢。