A disputa começou em julho de 2008. O Comitê Olímpico Intencional eliminou duas cidades: Baku (Azerbaijão) e Praga (República Tcheca), que ficaram com notas abaixo de 6,0 - ponto de corte estabelecido. Foram avaliados quesitos como segurança, transporte, rede hoteleira e apoio do governo e da população. O Rio de Janeiro avançou na disputa com a menor nota entre as finalistas (6,4). Tóquio recebeu a melhor avaliação (9,0), seguido por Chicago (8,2), Madri (7,9) e Doha (7,1). No entanto, o COI não aceitou a proposta de Doha para sediar os Jogos já que no projeto da capital do Catar o evento seria em outubro, e não no tradicional mês de agosto, período menos quente no país. E a cidade acabou eliminada.

Da primeira fase até a escolha da sede, no dia 2 de outubro de 2009, em Copenhague, o Rio teve pouco mais de um ano para melhorar o seu dossiê e tentar convencer os membros do COI através de visitias de inspeção, discursos técnicos, viagens de políticos e dirigentes a todos os continentes. O pleito da entidade era composto por dirigentes esportivos, ex-atletas e até nobres, como o príncipes Albert II de Mônaco. Na operação "Unfair Play" (Jogo Sujo) do Ministério Público e da Polícia Federal, Carlos Arthur Nuzman é suspeito de ser o elo de ligação do empresário Arthur Soares com Papa Diack, que segundo mostram transferências bancárias recebeu do empresário US$ 2 milhões três dias antes da eleição. A suspeita dos investigadores é que Diack teria feito, também, uma ponte com outros representantes de países africanos. Em 2009, dos 97 membros do COI aptos a votarem, 15 eram da África, número superior apenas aos quatro da Oceania. Da Europa eram 45, da Ásia 22, e das Américas, 20. Vale destacar que a votação é secreta.

Mesmo com problemas em itens como segurança e o transporte no projeto, o Rio fez forte campanha em cima da primeira Olimpíada na América do Sul, aproveitou o momento econômico favorável e adotou um discurso de Jogos ecológicos. Além de ter o apoio dos três níveis de governo e da população. Na comitiva que partiu para a votação estavam políticos, dirigentes esportivos, atletas como Cesar Cielo e Daniel Dias e ex-atletas como Gustavo Kuerten, Hortência e Pelé. Até o Paulo Coelho marcou presença.

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Na assembleia na Dinamarca, as quarto cidades fizeram uma apresentação final. A do Rio foi aberta por João Havelange. Seguiram-se discursos da velejadora Isabel Swan, da velocista Bárbara Leôncio, do então governador Sérgio Cabral, do ex-prefeito Eduardo Paes, e do então presidente Luís Inácio Lula da Silva. Um vídeo dirigido por Fernando Meirelles, de "Cidade de Deus", também foi exibido.

Na reta final, era preciso ter a maioria dos votos. Caso contrário a cidade menos votada era eliminada até sobrarem duas restantes. O temor do Rio era, justamente, passar da primeira rodada já que depois havia a expectativa de que teria o apoio de votos das cidades eliminadas. E a candidatura ganharia força. Foi justamente o que aconteceu. Na primeira rodada, Madri apareceu em primeiro lugar com dois votos a mais que o Rio. Chicago ficou em último e foi eliminada. Na segunda rodada, o cenário mudou. Rio herdou muitos votos de Chicago e chegou perto da maioria dos votos. Tóquio caiu fora. Na finalíssima, o Rio levou 66 votos contra 32 de Madri e garantiu a primeira Olimpíada a ser realizada na América do Sul. Explosão de alegria na comitiva brasileira e na praia de Copacabana, onde foi montado um palco para acompanhar a votação.

Em 1995, a cidade americana de Salt Lake City foi escolhida sede dos Jogos Olímpicos de Inverno de 2002 depois de quatro tentativas. Em 1998, o Departamento de Justiça dos Estados Unidos denunciou suborno a dirigentes do COI através de presentes como terrenos, tratamentos médicos, bolsas universitárias e dinheiro. O gasto com propinas somou cerca de US$ 1 milhão (em torno de 3, milhões de reais na cotação atual). Pelo menos 20 membros do COI foram afastados, suspensos ou forçados a renunciar. Mas não eram figurões. Faziam parte de uma espécie de "baixo clero". Mesmo não tendo seu nome envolvido nas investigações, o então presidente do COI, o espanhol Juan Antonio Samaranch, não tentou a reeleição.

Para tentar recuperar a credibilidade, a entidade fixou limites. Primeiro no mandato do presidente, até o máximo de 12 anos. E depois no preço dos presentes aos membros da entidade. O COI passou a monitorar as cidades candidatas para evitar o contato direto com os eleitores. Para isso haviam intermediários. No caso do Rio, Carlos Arthur Nuzman, o empresário Arthur Soares, o Rei Arthur, e Papa Diack.