La principale caractéristique des médailles, dont l'avers est modifié pour la première fois depuis les Jeux Olympiques d'Amsterdam en 1928, est le caractère grec des deux faces. L'événement revêt une importance tout à fait particulière puisque toutes les médailles olympiques porteront désormais la marque de l'appartenance des Jeux à la Grèce, pays de leur naissance et de leur renaissance.Sur les médailles remises aux athlètes olympiques à partir de 1928, et jusqu'aux Jeux de Sydney, la déesse Niké apparaissait en position assise, des épis dans une main et une couronne dans l'autre. Ici, elle arrive dans le stade en volant pour apporter la victoire au meilleur athlète. Le comité d'organisation a choisi de représenter le stade Panathinaïko, le stade où les Jeux Olympiques ont connu leur renouveau en 1896.Sur l'avers sera également inscrite la discipline de l'athlète
Le revers de la médaille est composé de trois éléments : La flamme olympique ; les premiers vers de la huitième Ode olympique de Pindare composée en 460 av. J.-C. en l'honneur de la victoire d'Alcimède d'Égine à la lutte et l'emblème des Jeux Olympiques de 2004 à Athènes.
La médaille olympique est l'oeuvre de l'artiste Elena Votsi.
Au total 1 130 médailles d'or seront frappées, 1 130 médailles d’argent et 1 150 médailles de bronze.
