伦敦奥运会自行车设公路赛、场地赛、山地赛和BMX小轮车四个分项，共18枚金牌。其中场地自行车10枚，公路自行车4枚，山地自行车和BMX小轮车各2枚。

早在1896年第一届奥运会上，自行车运动即被列入正式比赛项目。除奥运会外，国际间每年还举行一届男女锦标赛、男子青少年锦标赛、多日赛及洲、地区级比赛等。1900年成立了国际自行车联合会。现在自行车运动在欧洲仍然受到了广泛的欢迎，但是在美国大陆影响力却日渐衰落。

公路自行车赛的历史最悠久，除了1900、1904、1908三届比赛外都出现在奥运赛场上。在1896年第一届现代奥运会中，公路赛是在马拉松的场地上举行的，选手们需要从雅典骑行到马拉松，然后再返回雅典。1896年的比赛只包括公路个人赛，1912年至1956年设立了公路团体赛。1960年，公路团体赛被100公里团体计时赛取代，直到1992年被取消。1992年，公路个人赛在64年后重返奥运会。

1993年，BMX联盟正式并入国际自行车协会，但BMX小轮车直到2008年北京奥运会，才首度被列为奥运会正式比赛项目。

伦敦奥运会场地自行车项目设置有了比较大的变化，取消了麦迪逊赛和记分赛，新增了综合能力要求高的全能项目，男子项目减少为5项，女子增加为5项，所有小项均相同。