Bedeutende Sportstätten Hamburgs sind das traditionsreiche Volksparkstadion (jetzt AOL Arena), die Multifunktionshalle Color Line Arena, die Alsterschwimmhalle, die Sporthalle Hamburg (auch als „Alsterdorfer Sporthalle“ bekannt), das Millerntor-Stadion und die Jahnkampfbahn im Stadtpark. Der älteste deutsche Sportverein kommt mit der HT 16 aus Hamburg.
Seit 1963 spielt der 1887 gegründete Hamburger SV in der Fußball-Bundesliga und ist das letzte Gründungsmitglied der Bundesliga, das bis heute nie abgestiegen ist. Mit dem FC St. Pauli kommt ein weiterer Verein, der ehemals in der ersten Fußball-Bundesliga spielte, aus Hamburg. Seit 2002 sind die Handballer des HSV Hamburg (Handball-Bundesliga) sowie die Eishockeycracks der Hamburg Freezers (Deutsche Eishockey Liga) in der Color Line Arena zu Hause.
Zu den großen jährlichen Sportereignissen in Hamburg gehören in der zweiten Aprilhälfte der Hamburg-Marathon sowie im Sommer das Radrennen Vattenfall Cyclassics. Beide Ereignisse ziehen an den Strecken durch die Stadt ein Massenpublikum an. Ein gesellschaftliches Ereignis sind die Hamburger Derbys im Pferderennen (Juli) sowie im Springreiten (Mai) und seit 1892 die German Open im Herrentennis.
Hamburg gehörte zu den offiziellen Ausrichtungsorten der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 und der Handball-Weltmeisterschaft der Herren 2007 und wird im August Gastgeber der ITU World Championships 2007 im Triathlon.