当天投票前，墨西哥(克雷塔罗)、俄罗斯(莫斯科)、韩国(丽水)、波兰(弗洛兹瓦夫)，和中国(上海)先后作了申办陈述。
陈述结束后，国际展览局89个成员国的代表以无记名方式进行投票。根据规定，如果某城市在首轮投票中获得三分之二的票数则一举当选，否则第一轮投票将淘汰得票最少的城市，并进入第二轮投票。以此类推，直到仅剩两个候选城市时，由得多数票者取得2010年世博会的主办权。
当天各申办国竞争相当激烈，投票先后经历四轮。在首轮投票中，中国以36票居第一，但未获得三分之二票数，韩国28票，俄罗斯12票，墨西哥6票，波兰被淘汰出局。
在第二轮投票中，中国获38票，韩国34票，俄罗斯10票，墨西哥遭淘汰。
在第三轮投票中，中国获44票，韩国32票，俄罗斯12票被淘汰。
在最后一轮投票中，中国以54票胜出。
中国(上海)的陈述主题是：“城市，让生活更美好”。这是世博会历史上第一次出现“城市”主题，也是全世界都在热切关注的话题。
国务院副总理李岚清、国务委员吴仪、上海市市委书记、市长陈良宇分别用英文发言，中国驻法国大使吴建民主持陈述。
