Wziął udział w biegach na 5000 metrów, 10 000 metrów oraz w biegu maratońskim. Jego pierwszym finałem był bieg na 10 000 metrów, który rozegrano 20 lipca. W przeciwieństwie do poprzednich igrzysk, Czecha wskazywano jako faworyta na tym dystansie. Był wówczas rekordzistą świata i mistrzem Europy. W wyścigu objął prowadzenie po sześciu okrążeniach – na szóstym kilometrze biegł z nim tylko Francuz Alain Mimoun. Na ósmym kilometrze Zátopek oderwał się jednak od Francuza i samotnie pobiegł po swoje drugie w karierze olimpijskie złoto. Z czasem 29:17,0 zwyciężył z przewagą 15 sekund nad Mimounem i 31 sekund nad trzecim Aleksandrem Anufrijewem. Finałowy bieg na 5000 metrów, rozegrany cztery dni później, był bardziej wyrównany. Dyktował mocne tempo, jednak w pewnym momencie spadł na czwarte miejsce i na około 150 metrów przed metą pozostawał na nim. Miał nieznaczną stratę do prowadzącego Chrisa Chatawaya, Herberta Schade i Alaina Mimouna. Wówczas jednak Zátopek zaczął finiszować i wyprzedził grupkę trzech liderujących. Odskoczył nieznacznie od dwójki biegaczy (w tym czasie Chataway potknął się o krawężnik i upadł) i nie oddał prowadzenia już do końca. Zwyciężył z Mimounem o niecałą sekundę. Tego samego dnia jego żona Dana Zátopková zdobyła złoty medal w rzucie oszczepem.