圣火在奥林匹亚点燃并通过火炬手传递到雅典后，于1964年8月23日起飞飞往目的地。途经伊斯坦布尔、贝鲁特、德黑兰、拉合尔、新德里、加尔各答、仰光、曼谷、吉隆坡、马尼拉、香港和台北，每个城市都进行了火炬传递仪式。

在尼泊尔奥委会的要求下，当火炬传递在新德里结束时，主圣火点燃了第二团圣火，该圣火从那里被带到加德满都，并在那里举行了圣火仪式。圣火随后搭乘飞机运送到加尔各答，并在那里与主圣火汇合。

9月7日，圣火抵达冲绳岛。第一名火炬手宫城勇把火炬运送到了奥武山体育场，那里举行了欢迎仪式。为了弥补香港台风造成的延误，9月9日，部分圣火从鹿儿岛县传递到日本主岛，与此同时冲绳地区的传递仍在继续。9月11日，两团圣火在福冈县汇合。

圣火通过四条不同的路线穿越日本，分别前往鹿儿岛县、宫崎县、千岁县和青森县。圣火从千岁县传递到青森县，在那里，传递路线一分为二：一条向南前往日本海方向，另一条也向南，但前往太平洋方向。

10月9日在东京皇宫外广场举行了特别仪式，迎接四路圣火在一个火炉中融合。

第二天，从皇宫到国家体育场的路线是本届圣火传递的最后阶段，圣火经由五名男子和两名女子传递后在开幕式上传递给最后一名火炬手坂井义则。他登上163级台阶后在下午3点零3秒时准时点燃了主火炬。