除特别注明外，本段時間均以二十四小時制東八區時間（UTC+8）為準。
1994年3月，中央电视台批准建立体育频道，1994年10月1日在北京33频道试播，每天晚上播出4小时节目。1995年1月1日12点整，该频道正式开播，1995年11月30日，通过亚洲2号卫星覆盖全国[1]，以及中央广播电视塔覆盖北京及周边地区。
2004年5月10日，该频道在中央广播电视塔发射的模拟信号被置换为CCTV-音乐。
2004年葡萄牙欧洲杯期间，该频道推出由张斌主持的赛事杂志类节目《豪门盛宴》，从此开始，每逢世界杯与欧洲国家杯，该频道均会安排此节目作为赛事直播的垫场预热。
2005年9月5日，该频道改为24小时播出。
从2008年北京奥运会开始，该频道台标不再只是出现在左上端，而是根据转播的具体情况，将台标移动到右上端。如比分牌放在荧幕左上方，以前CCTV-5的台标会遮挡住比分牌，而之后会移动到右上方。这样的安排，同样适合于其他频道在直播体育比赛时，如CCTV-1、CCTV-2等频道。从2008年1月1日至9月30日，中央电视台体育频道更名为奥运频道[2]。
2011年1月1日，央视频道正式调整而更换频道标志，其中原有的该频道标志变得更清晰且在下方加上“体育”二字，原有的频道标志继续作为宣传标使用。[3]
2012年5月16日，体育频道首先搬入新台址，并承担伦敦奥运会的转播工作[4]。2012年7月3日至8月，中央电视台体育频道再次更名为奥运频道[5]。
2012年9月28日，该频道进行高清和标清同步播出[6]。
2014年1月15日0时7分28秒[7]，该频道的标清版本的16:9节目播出方式由上下加黑边（Letterbox）方式显示16:9画面改为将16:9播出素材横向压缩成4:3，但是台标还是原先的4:3比例，导致用画面比例为16:9的设备收看该频道标清版时节目没有变形，但台标横向拉伸变形，直到2015年4月1日台标调整才得以解决。
2015年8月，该频道获新英体育授权直播2015-16赛季英超联赛的中国大陆区免费场次，这也是英超时隔12年再次回到全国性的卫星频道，但央视同时亦失去当季西甲联赛的版权。[8]2016年8月1日至8月22日，中央电视台体育频道再次更名为奥运频道。
2017年8月27日，CCTV-5、5+在天津全运会赛事期间的赛事片头（包括《体育新闻》等栏目）出现单线CCTV标识。
2018年初，CCTV-5再次更换包装和频道ID，使用“新址台标+SPORTS”为概念宣传徽标，同时改版包装和节目角标。旗下的CCTV-5+和风云足球频道也一同改版统一换装。2018年2月1日至2月25日，中央电视台体育频道再次更名为奥运频道。
2019年9月底，央视体育旗下频道（CCTV-5、5+、风云足球、高尔夫·网球）再度更换包装和频道ID，不再使用单线“CCTV.”宣传徽标，改回现行双线台标。
2019年12月17日起，「中央廣播電視總台央視體育頻道」落地澳門，觀眾可通過重新搜台於基本電視頻道第79台免费收看[9]。2021年7月21日至8月8日东京奥运会期间，中央电视台体育频道再次更名为奥运频道，该次调整也是CCTV-5最后一次调整为奥运频道。