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。

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。