Bach werd op 10 september 2013 tijdens de 125e IOC-zitting in Buenos Aires gekozen voor een termijn van acht jaar als IOC-voorzitter. Hij behaalde 49 stemmen in de laatste stemronde, waardoor hij de meerderheid had die nodig was om gekozen te worden. Hij volgde Jacques Rogge op, die van 2001 tot 2013 IOC-voorzitter was geweest. Bach behaalde ook voldoende steun voor een tweede termijn van vier jaar tijdens de 137e IOC-sessie in 2021 die zijn mandaat verlengde tot 2025. Dit is de laatste termijn van Bach als IOC-voorzitter, aangezien de regels van de organisatie de termijn van de president beperken tot acht jaar met één verlenging van vier jaar. Op 10 augustus 2024 kondigde Bach aan dat hij van plan is af te treden als IOC-voorzitter wanneer zijn termijn in 2025 afloopt, ondanks dat hem is gevraagd aan te blijven.
Na zijn verkiezing tot IOC-voorzitter gaf Bach aan dat hij het Olympische biedingsproces wilde veranderen en van duurzame ontwikkeling een prioriteit wilde maken. Hij stelde dat het huidige biedingsproces "te veel en te vroeg vraagt". Deze veertig voorgestelde hervormingen werden bekend als de Olympische Agenda 2020, ze werden allemaal unaniem goedgekeurd tijdens de 127e IOC-sessie in Monaco in 2014.