Pour la première fois depuis 1896 Athènes fut la ville hôtesse des Jeux d'été (les Jeux intermédiaires de 1906 ne furent pas reconnus par le CIO). Tous les pays membres du CIO, 201 Comités nationaux olympiques, et 10 625 athlètes participèrent aux Jeux. Une nouvelle discipline fut ajoutée, la lutte libre féminine.
Incontestablement la grande vedette des Jeux fut le nageur Américain Michael Phelps qui amassa 8 médailles, dont 5 d'or. L'athlète de 19 ans brisa une marque du nageur Mark Spitz en participant à six épreuves individuelles (une de plus que Spitz à Munich en 1972) et égala le record du Soviétique Aleksandr Dityatin qui avait récolté aussi 8 médailles en gymnastique à Moscou en 1980. L'Australie continua ses succès en natation ; Ian Thorpe obtint 4 médailles (2 d'or, 1 d'argent et 1 de bronze), alors que sa compatriote Petria Thomas gagna aussi 4 médailles (3 d'or et 1 d'argent).
C'est l'Américain Justin Gatlin qui remporta la médaille d'or dans l'épreuve reine du 100 mètres, alors que les États-Unis réussirent des triplés au 200 mètres et au 400 mètres masculins. Le Marocain Hicham El Guerrouj triompha dans le 1 500 mètres et le 5 000 mètres.
Les organisateurs des Jeux d'Athènes voulurent faire revivre les sites anciens des Jeux, c'est ainsi que le concours du lancer du poids eut lieu dans l'ancien stade d'Olympie. De plus, le départ des épreuves du marathon fut donné dans la ville de Marathon. L’épreuve masculine fut gagnée par l'Italien Stefano Baldini ; durant le marathon le meneur Vanderlei de Lima, du Brésil, fut agressé en pleine course par un déséquilibré ce qui lui coûta de précieuses secondes. Vanderlei de Lima remporta la médaille de bronze.
En kayak féminin, l'Allemande Birgit Fischer devint la première athlète (peu importe le sport) à gagner deux médailles à chacune des cinq éditions des Jeux auxquelles elle a pris part. De son côté, la Roumaine Elisabeta Lipa remporta une quatrième médaille d'or consécutive dans l'épreuve d'aviron du huit sans barreuse.
Pour la première fois depuis les Jeux de Montréal en 1976, les Japonais gagnèrent la médaille d'or au concours multiple par équipe en gymnastique, tandis que l'Américain Paul Hamm gagna l'or au concours multiple individuel par 0,012 point, soit la plus petite marge de l'histoire.
Les boxeurs cubains continuèrent leur domination avec un total de 8 médailles (dont 5 d'or) sur une possibilité de 11 médailles.
L'une des grandes surprises des Jeux d'Athènes fut la victoire de l'Argentine en basketball masculin. Le Dream Team américain termina la ronde préliminaire avec un dossier de trois victoires et deux revers (des défaites de 92-73 contre Porto Rico et de 94-90 contre la Lituanie), puis fut éliminé 89 à 81 par les Argentins en demi-finales. À noter que le Dream Team américain avait remporté 24 matchs consécutifs aux Jeux d’été avant de s’incliner devant Porto Rico.
L'Argentine remporta aussi la médaille d'or en soccer masculin devant le Paraguay ; ce fut la première médaille de l'histoire du Paraguay. En baseball, Cuba gagna la médaille d'or pour la troisième fois (1992, 1996 et 2004).
Les États-Unis dominèrent avec un total de 102 médailles dont 36 d'or et c'est la Chine qui termina au deuxième rang avec une récolte de 63 médailles (32 d'or).
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