La flamme est allumée au cours d'une cérémonie par des femmes vêtues de tuniques comme celles des Grecs de l'Antiquité. La cérémonie se déroule à Olympie, en Grèce, à l'aide de rayons du soleil concentrés par un miroir parabolique. La flamme sacrée est communiquée à une torche qui est portée, si possible à pied, vers la ville organisatrice des jeux. La grande prêtresse remet elle-même le flambeau au premier relayeur.
Chaque participant porte ensuite la torche olympique sur une courte distance et la remet à un autre porteur. Le relais de la flamme olympique prend fin lors de la cérémonie d'ouverture des jeux.
Le dernier porteur, généralement un champion sportif du pays organisateur des jeux, allume avec la torche olympique une vasque monumentale, laquelle brûle pendant toute la durée des jeux.
La flamme est finalement éteinte lors de la cérémonie de clôture.

La flamme olympique a brûlé pour la première fois lors des Jeux Olympiques d'été de 1928, à Amsterdam. Il n'y avait pas encore de relais pour porter la torche, le premier relais avec la torche a eu lieu lors des Jeux Olympiques d'été de 1936 à Berlin. Depuis, le relais et l'allumage de la flamme ont eu lieu à chaque Jeux Olympiques d'été. 
La flamme des Jeux Olympiques d'hiver a été allumée pour la première fois pour les Jeux Olympiques d'hiver de 1952. Ainsi, depuis 1952, tous les 4 ans, puis tous les 2 ans, la flamme est allumée à Olympie grâce à l'énergie solaire puis transportée de ville en ville jusqu'à la cérémonie d'ouverture.

La torche olympique 2008 dont la forme est inspirée des rouleaux traditionnels chinois