马德里在2012年1月30日公布了这座连续三次参加奥运会申办的城市的申奥标志。马德里的2020年申奥标志灵感来源于马德里著名的古老城门阿尔卡拉门(Puerta de Alcala)，5扇拱门交叠出缤纷的色彩。“城门”里面包含了“Madrid(马德里)2020”的简称“M20”字样。但是今天马德里的申奥标志发布以后，部分国外网友表示出现了混淆，“M20”容易被看成“20020”。
马德里2020申奥标志设计者是美术学院的学生Luis Zaragoza(有一种说法是他只是提出了构思被采纳，不是他的设计)。在西班牙奥委会总部举行的一场发布会上，马德里市长和西班牙奥委会主席共同主持了申奥标志的发布，此外，马德里奥申委的工作组和官网也一并亮相。