馬德里在2012年1月30日公佈了這座連續三次參加奧運會申辦的城市的申奧標誌。馬德里的2020年申奧標誌靈感來源於馬德里著名的古老城門阿爾卡拉門(Puerta de Alcala)，5扇拱門交疊出繽紛的色彩。“城門”裏麵包含了“Madrid(馬德里)2020”的簡稱“M20”字樣。但是今天馬德里的申奧標誌發佈以後，部分國外網友表示出現了混淆，“M20”容易被看成“20020”。
馬德里2020申奧標誌設計者是美術學院的學生Luis Zaragoza(有一種説法是他只是提出了構思被採納，不是他的設計)。在西班牙奧委會總部舉行的一場發佈會上，馬德里市長和西班牙奧委會主席共同主持了申奧標誌的發佈，此外，馬德里奧申委的工作組和官網也一併亮相。