自行车自发明以来就成为竞赛项目。自行车从1896年首届现代奥运会——雅典奥运会上起就正式成为奥运会正式竞赛项目，是为数不多的出现在历届奥运会赛场的运动员之一。
公路自行车1896年首次亮相奥运会，之后12年缺席奥运赛场，在1912年奥运会上再次回归。此后，公路自行车就再没有缺席奥运大舞台。而女子公路自行车直到1984年奥运会才姗姗来迟。尽管起初奥运会自行车比赛仅限业余选手参加，但自1996年亚特兰大奥运会起决定允许职业车手参赛，旨在增加自行车运动的影响力。
奥运会公路自行车赛通常在环形赛道进行，2020年东京奥运会上首次将收入引入不同的起始分和结束分的概念。运动员采用集体出发，男子运动员比赛距离为244公里，女子运动员比赛距离为147公里。运动员在争夺金牌的过程中将穿越东京城及其周边三个县。
比赛由东京武藏野公园开始，比赛过程中运动员将会途径神奈川县和山梨县，终点位于静冈县的富士国际赛车场。比赛路线不仅长度场，期间还包括陡峭的上坡和下坡道路，令东京奥运会公路自行车赛道的难度高于历届奥运会该项目赛道。女子比赛中上坡路段长度为2692米，男子比赛上坡路段长度为4865米。比赛过程堪比一天之内完成环法赛的皇后站比赛。
男子比赛预计比赛时间为6个小时，运动员不仅需要准备应对赛道的策略，同样还要准备应对日本夏天的。赛道不同阶段都能够领略到富士山的美景，但是可惜的是骑手们没有太多时间欣赏。
个人计时赛中运动员采用间隔出发，男子运动员将完成两圈比赛，每圈长22.1公里。女子比赛只需完成一圈。每个国家奥组委最多能够获得两个计时赛参赛名额，名额根据UCI世界排名确定。