中国代表团此次派出311名运动员参赛，以金牌28枚、奖牌总数59枚的优异成绩一举跃入了奖牌榜世界三强行列，这两项指标不仅都创下了中国自参加奥运会以来的单届最高纪录，而且均名列世界第三位。仅9月22日一天，中国就日收6金，创下了中国运动员参加奥运会历史上单日夺取金牌数的最高纪录。
悉尼奥运会上，中国运动员在传统优势项目中继续保持着强盛势头，乒乓球包揽了全部4个单项的冠军，女子举重在所参加的4个级别中全部夺金而归，羽毛球金牌5中取4，跳水则在出师不利的情况下连夺5金，与举重一样，成为中国在本届奥运会上收获金牌最多的项目。此外，射击和体操各获3枚金牌。
本届奥运会跳水比赛由于新增了双人项目，金牌数也增加了一倍，达到8枚。赛前被寄以厚望的中国队出人意料地在前三项比赛中接连失手，均只得到了银牌。关键时刻，奥运会前复出的老将熊倪为压力骤然增加的跳水队稳住了军心。他在男子跳板决赛中凭借最后一跳的稳定发挥，以微弱优势击败了强劲对手墨西哥的普拉塔斯和俄罗斯的萨乌丁，为中国在本次跳水比赛中夺得了第一块金牌。随后，他又与队友肖海亮合作，在跳板双人项目中称雄，再次获得了金牌。跳水队另一位退役后复出的老将伏明霞也表现稳健，在女子跳板中蝉联了奥运会冠军。
在乒乓球的4个单项中，女子单、双打和男子双打的决赛都是在中国运动员之间进行的，唯一由中国选手与外国选手争夺冠军的男子单打决赛进行得跌宕起伏，扣人心弦。中国的孔令辉面对乒坛长青树、瑞典老将瓦尔德内尔，积极主动，斗志旺盛，最终击败对手，确保了中国队连续第二次包揽奥运会乒乓球项目的全部冠军。
羽毛球的5项比赛中，中国除了传统弱项男子双打无缘奖牌外，在其它4个单项中全面开花。男子单打7号种子吉新鹏状态出色，连续“手刃”了世界前两号种子球员印度尼西亚的陶菲克和叶诚万，一举摘得金牌。铁双打葛非/顾俊则在收山之作中战胜队友高��/秦艺源，卫冕了奥运会女子双打冠军。高��尽管在女双项目中未能夺金，但她与张军合作，在混合双打决赛中力挫印尼搭档许一敏/特里古斯，获得了冠军。龚智超则在女子单打决赛中，击败了丹麦名将马尔廷，为中国代表团锦上添花。
本届新增设的女子举重项目规定一个协会最多只能派4名运动员参赛，曾在这个项目中处于支配地位的中国尽管优势受到遏制，但还是由4名选手分头出击，在各自级别中如愿夺金。4位金牌选手是：杨霞、陈晓敏、林伟宁和丁美媛。而占旭刚在男子举重77公斤级比赛中，也顽强地拼下一金，成为中国第一位连续两届奥运会夺取举重金牌的运动员。
本届奥运会还有其它一些重要事件：南、北朝鲜的运动员再次携手出现在了国际体育舞台，在开、闭幕式的入场仪式中，来自朝鲜半岛的两国运动员均行进在同一面代表团旗帜下。四名东帝汶运动员以个人身份参加了本届奥运会。35岁的马里亚&8226;伊萨贝尔&8226;乌鲁蒂亚在女子举重75公斤以下级中夺得冠军，为哥伦比亚获得了第一枚奥运会金牌。越南跆拳道运动员唐赫南在57公斤级比赛中获得银牌，这块银牌是越南自1952年开始参加奥运会以来赢得的第一枚奥运奖牌。同时，苏桑蒂卡&8226;贾雅辛格在田径女子200米跑中荣获银牌，成为斯里兰卡第一位夺得奥运会奖牌的女运动员。
本届比赛中，铁人三项和跆拳道被首次列为了正式比赛项目。此外，在现代五项和女子举重中均首次设立了女子比赛。大会也首次对运动员同时进行了EPO检测和血检。国际反兴奋剂协会作为独立的组织，参与并监督了本届奥运会的药检工作。
