东京奥运会，作为卫冕冠军，马龙在前三场比赛中都以4:1的比分先后战胜印度选手阿昌塔、法国选手西蒙-高茨和埃及选手阿萨尔。半决赛中马龙与德国选手奥恰洛夫打满7局，最终以4:3的比分险胜晋级决赛。决赛中，马龙与“小胖”樊振东相遇，双方实力都十分强劲。
樊振东、马龙分列本届奥运会男单前两号种子。进入四强之前，他们的晋级之路较为轻松。但在半决赛中，两人均历经苦战才惊险过关，其中樊振东4:3击败中国台北选手林昀儒，马龙以相同比分战胜德国名将奥恰洛夫。决赛前马龙表示，樊振东是世界上最强的选手，因此他没有任何压力，只能全力以赴去拼。如马龙所说，整场比赛，他打得更加积极主动。但最终马龙以4-2的比分战胜樊振东成功卫冕。
随后进行的乒乓球男子团体项目上，和里约奥运会一样，马龙和队友一路过关斩将进入决赛，在决赛中，马龙搭档许昕以3-0拿下首局，第三局马龙出战对阵德国名将波尔，马龙顶住压力以3-1的比分战胜对手。中国男团3-0战胜德国男团，马龙取得自己的第三枚男团金牌，第五枚奥运金牌。
如5年前在里约获胜后一样，这一次马龙仍以比“心”的方式庆祝胜利。他说，这个“心”要送给自己的孩子。
樊振东赛后称，马龙是这个时代的历史最佳球员，他控制了今天比赛的节奏，而自己不够积极主动，没能把握住机会。“马龙打得非常好，岁月在他身上没有留下太多痕迹，能感受到他的欲望和能力与从前比相差无几，这是我需要学习的。”“我觉得还是要肯定自己，我付出了很多，也收获了很多。”樊振东坦言，所有人都渴望获得奥运冠军，银牌的结果虽然没有达到预期，但也是正常发挥。比赛让他认识到了自己的差距，未来还需要继续努力。
马龙则认为，樊振东是当今世界技战术实力最强的选手。“对我而言，和他对抗是全世界唯一没有压力的比赛，从始至终我一直处于去拼对手的状态。”在马龙看来，摆正心态是他今天获胜的关键。
