參加本屆奧運的多元性別(LGBTQ)選手至少163人，創下歷屆奧運紀錄，比上屆里約奧運56人幾乎多了兩倍，其中美國就有34人，包括女子棒球隊五人和女子足球隊四人。

東京奧運有兩大「人數」紀錄：觀眾人數最少，參賽人員多元性別人數最多；現場觀眾人數受限，是因為新冠病疫仍嚴重。

東京奧運也是跨性別運動員首度公開參賽的奧運，例如，新西蘭舉重選手勞瑞爾‧哈巴德(Laurel Hubbard)經過選拔，參加女子超重量級(87公斤以上)比賽。

加拿大女子足球隊的奎茵(Rebecca Quinn)也是跨性別選手；美國單車特技賽選手雀爾喜‧吳爾芙(Chelsea Wolfe)也是跨性別選手，不過她是候補選手，能否出賽未定。

東京奧運會場設有「自豪廳」(Pride House)，供多元性別選手及支持者使用，這是國際奧運會首度正式認定多元性別運動員的交誼廳；類似場所2010年溫哥華冬季奧運和2014年俄國索契冬奧也有，但位於東京新宿鬧區的「自豪廳」是第一個被正式認定的「奧運會場」，賽後將成為永久性的社區活動中心。

新宿「自豪廳」揭幕儀式去年10月舉行時，管理人員向媒體表示，這個奧運會設施，是改變多元性別人在日本社會地位及觀感的里程碑；這項歷史紀錄，是諸多同性跨性變性雙性運動員及支持者奮鬥多年的成果。

參加本屆奧運的多元性別選手還有義大利游泳選手瑞秋‧布潤妮(Rachele Bruni)；她贏得2016年奧運10公里長泳銀牌時，大方把光榮獻給女友法意娜(Diletta Faina)。

當時30歲的她接受媒體訪問時說，「我從來都沒有出櫃過，但我也不擔心別人對我有偏見。想到我的愛人，就說出來，這是很自然的。當然會有人對我有偏見，但我活得很平靜，我為自己而活，為我熱愛的游泳而活，為愛我的人而活。」

巴西橄欖球選手伊莎多拉‧瑟如友(Isadora Cerullo)最著名的故事是2016年巴西奧運賽時，在球場接受女友恩雅(Marjorie Enya)求婚。瑟如友也有美國籍。

加拿大撐竿跳選手蕭恩‧巴柏(Shawn Barber )也是雙重國籍的同性戀選手；現年27歲的巴柏2017年出櫃，他認為同性戀沒什麼大不了，但也相信擁有美加雙重國籍稍稍減輕他的恐懼，「很多人不像我這麼幸運，我很感恩。」

愛爾蘭的跆拳道選手吳利(Jack Woolley)、印度田徑選手錢德(Dutee Chand)、美國足球選手若皮諾(Megan Rapinoe)、英國跳水選手戴利(Tom Daley)、千里達托貝哥短跑健將阿葉(Michelle-Lee Ahye)等也是本屆奧運多元性別參賽者。