À Mexico, les athlètes firent face à un nouvel élément : l'altitude. La ville étant située à 2200 mètres au-dessus du niveau de la mer, les performances de certains athlètes furent parfois inouïes. Lors de la finale du 100 mètres, l'Américain Jim Hines pulvérisa le record mondial avec un temps de 9,95. Mais l'exploit de ces Jeux appartient à Bob Beamon, qui établit un record mondial au saut en longueur avec un bond prodigieux de 8,90 mètres, soit 55 centimètres de plus que l'ancien record.
Une controverse éclata au terme de la finale masculine du 200 mètres. Lors de la cérémonie protocolaire, le médaillé d'or Tommie Smith et le médaillé de bronze John Carlos, tous les deux des États-Unis, pointèrent vers le ciel leurs gants noirs afin de saluer le Black Power (pouvoir noir aux États-Unis), pendant l'hymne national américain. Ce geste fut déclaré scandaleux par le C.I.O., qui ordonna aux officiels américains de suspendre Smith et Carlos. Par contre, la répression étudiante par l'armée mexicaine, qui avait fait des dizaines de morts tout juste avant l'ouverture des Jeux, ne provoqua pas une telle réaction de la part du C.I.O.
Deux autres Américains se distinguèrent en athléisme. Le légendaire Al Oerter triompha pour la quatrième olympiade consécutive au lancer du disque. Dick Fosbury gagna la médaille d'or au saut en hauteur grâce à une nouvelle technique, le saut dorsal. De nos jours, tous les sauteurs utilisent le "Fosbury Flop".
En natation, Debbie Meyer, des États-Unis, remporta trois médailles d'or individuelles (200 m, 400 m, 800 m style libre), alors que Roland Matthes, de la R.D.A., réussissait un doublé avec les épreuves du 100 m dos et du 200 m dos. En gymnastique, Vera Csalavska, de la Tchécoslovaquie, fut la reine des Jeux. Son style gracieux lui permit de récolter quatre médailles d'or individuelles ; elle devint ainsi la première femme à accomplir un tel exploit.
Le rendez-vous de Mexico avait une saveur particulière pour les États-Unis. Dans leur zone d'influence géopolitique, il était primordial pour eux de démontrer leur supériorité en sport. Ils avaient investi beaucoup d'argent et d'énergie à cette fin, et les résultats furent probants. Les États-Unis récoltèrent 107 médailles, dont 45 d'or, alors que l'U.R.S.S. en amassait 91, mais seulement 29 d'or. D'ailleurs, ce fut la dernière fois que les États-Unis devancèrent l'Union soviétique au classement des médailles.
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