Có 32 địa điểm thi đấu tại Rio, 6 trong số đó đều đã hoạt động và thêm 9 điểm đã nâng cấp. 10 điểm được xây mới sẽ tạo ra một di sản lâu dài cho thành phố. Một số địa điểm thi đấu được xây dựng vào năm 2007 phục vụ cho Pan-American Games XV.
Tương tự như Homebush Bay tại Sydney năm 2000, OAKA tại Athens năm 2004, Green Olympic tại Bắc Kinh năm 2008 và tổ hợp Olympic ở London năm 2012, tổ hợp thi đấu tại Barra de Tijuca sẽ trở thành nơi tổ chức của 23 nội dung thi đấu, nhiều nhất trong số những địa điểm chính thức tại Rio 2016.
Các khu tổ hợp Olympic gồm Carioca Arenas 1, 2 và 3 (bóng rổ, judo, taekwondo, đấu vật và vượt rào), Arena tương lai (ném lao), Olympic Tennis Centre, Rio Olympic Velodrome (đua xe đạp), Rio Olympic Arena (thể dục nghệ thuật, thể dục nhịp điệu và tấm bạt lò xo), Aquatics Centre Maria Lenk (lặn, đồng bộ bơi lội và bóng nước trò chơi sơ bộ) và sân vận động Olympic Aquatics mới, nơi mà cuộc tranh tài về bơi lội và các môn thể thao dưới nước sẽ được tổ chức.
Barra cũng bao gồm khu phức hợp Riocentro (quyền Anh, bóng bàn, cầu lông và cử tạ) và nằm xa hơn về phía nam, Olympic Golf Course. Trong khi đó, các vị trí bên bờ biển của Pontal sẽ là điểm khởi đầu thử thách cho cuộc tranh tài đua xe đạp và đi bộ. Các khu Barra và Deodoro sẽ được kết nối bằng một đường cao tốc 26km mới được gọi là TransOlimpica, một dòng Bus Rapid Transit (BRT).
Chuyển lên phía bắc của thành phố là khu tổ hợp Deodoro, nơi diễn ra những nội dung thi đấu chính của các bộ môn như xe đạp đia hình, BMX, bắn súng, cưỡi ngựa và khúc gôn cầu. Sân vận động chính Deodoro còn là nơi tổ chức các trận đấu của bộ môn rugby.
Nằm ở phía tây của thành phố, sân Maracana và khu tổ hợp Copacabana sẽ là nơi diễn ra lễ khai mạc cũng như lễ bế mạc của giải đấu, trong đó có trận chung kết của nội dung bóng đá nam. Trong khi sân vận động Olympic sẽ là địa điểm chính của các nội dung điền kinh, bắn cung và bóng chuyền.
Trong khu vực Copacabana, đua thuyền sẽ diễn ra tại Marina de Glória, với chèo thuyền và ca nô chạy nước rút diễn ra tại sân vận động Lagoa ở Lagoa Rodrigo de Freitas. Các môn thi bóng chuyền bãi biển sẽ diễn ra trên bãi biển Copacabana.
Cũng giống như World Cup 2014, bộ môn bóng đá sẽ được tổ chức trên khắp các sân vận động nổi tiếng tại Brazil, như Manaus, Salvado, Brasilia, Belo Horizonte và Sao Paolo.