1958年6月19日，央视在北京体育馆直播了“八一”篮球队与北京篮球队的友谊比赛，这是中国体育电视史上的第1次实况转播。
1994年3月，关于建立央视体育频道的报告经台领导批准，使用北京地区的33频道，试播日期定为1994年10月1日，每晚安排4个小时节目，主要用于调试33频道这个新的频段。正式播出日期定为1995年1月1日，从12点到24点，首播节目为每天8小时。
1994年11月1日，由于当年10月4日央视开始报道第12届亚运会，因此体育频道的正式筹备从当天开始。
1995年1月1日北京时间12点整，CCTV-5作为中国第1个自办的体育频道如期播出。体育频道设立之初，设置了48个栏目，并率先与国家体委（国家体育总局前身）有关部门签订了长期协议，辟出固定时间直播国内各项联赛和比赛；还采用制片人负责制，利用社会上的制作力量制作时效性不强的10个栏目。
1995年11月1日，CCTV-5通过卫星向全国播出，播出时间由12点提前到8点30分，每天播出16小时，其中首播节目10小时。
经过1996和1997年两年的努力，CCTV-5拥有了《体育新闻》《足球之夜》《世界体育报道》等一批高质量、有影响的优秀栏目。
1998年5月，央视在原新闻节目中心体育部的基础上组建原体育节目中心，负责规划、采编、制作和播出国内外体育节目，管理、编排播出CCTV-5及其它频道有关体育的节目，下设综合部、新闻部、竞赛部和交互电视筹备部。
1998年10月30日，央视原体育节目中心首次从国外引进的专利节目——大型体育娱乐节目《城市之间》在CCTV-5开播。
2000年11月27日，CCTV-5推出以国际足球赛事转播及评介为主要内容的新栏目《天下足球》。
2001年1月1日，CCTV-5改版，将原来的34个栏目整合为17个栏目，《体育新闻》每天播出两档节目，共45分钟；频道全年各类活动和赛事直播达1200场，平均每天播出超过3场比赛。
2001年7月13日，北京申奥成功。为配合申奥报道工作，根据原北京奥申委和原国家广电总局、央视的统一部署，CCTV-5遵循“展现新闻事件的全过程，平和引导观众心理，注重技术细节和背景介绍”的报道原则，直播中，主持人总体口径把握平稳，充满信心，平静祥和，对事件进程和情绪把握适当；整个报道过程在申办前、出结果前不造势、不煽情、不拔高、不评论、不对竞争对手说三道四，较好地完成了14个小时的直播和新闻报道工作。当天《新奥运》直播节目的收视率，CCTV-5为4.50%。
2001年，经过精心筹备，央视推出“中国电视体育奖”评选活动（CCTV体坛风云人物评选活动前身），每年举行1次，奖杯由纯银制成，重两千克，由获奖者永久保留。
2002年3月22日，首届“中国电视体育奖”颁奖典礼举行，共设12个奖项。
2002年5月9-19日，CCTV-5等首次全程转播“汤姆斯杯”和“尤伯杯”世界羽毛球团体锦标赛，并向其他国家和地区提供国际公用信号。
2003年2月28日，第2届“中国电视体育奖”评选活动举办，提升了CCTV-5在观众心目中的地位。
2003年3月31日，以“让体育频道更好看”为目标，本着“赛事第一”的原则，CCTV-5再次改版。此次改版着重改进了频道的外在形式、制作方法和节目编排等方面，增设《轻松体育》《巅峰时刻》《全明星猜想》《电子竞技世界》《顶级赛事》《直播周末》等6个栏目和板块，介绍前卫运动、浓缩最新、最高水平的国际赛事。其中综合板块《直播周末》按照大型综合性运动会模式，对节目时段内的直播比赛、实况录像、专题、新闻节目进行整合，节目衔接自然、灵活、紧凑，同时采用主持人随时播报最新消息的形式，增大节目的信息量，增强节目的时效性。
2003年8月3日，CCTV-5等现场直播2008年北京奥运会会徽发布仪式，并为国际奥委会和多家国内外媒体提供转播信号。
2003年，为配合奥运宣传，CCTV-5《体育人间》栏目播出120集大型人物纪录片《中国奥运冠军特辑》，讲述了中国运动员自1984年洛杉矶奥运会起，在历届奥运会上勇夺金牌的故事。该节目自2004年2月在央视播出后，引起极大关注。同年4月，香港电视广播有限公司（TVB）向中国国际电视总公司购买了该节目在香港地区的播映权，并于同年6月初在TVB8（覆盖美洲），6月底在TVB播出。
2005年9月5日，围绕“突出赛事、加强新闻、改进编排、提升份额”的目标，CCTV-5实施改版，实现24小时播出，实行动态节目编排，赛事优先、新闻优先、直播优先。《北京2008》《赛车时代》《人间体育》等具有特色和亮点的节目的推出，使体育频道收视份额明显增长，收视成绩突出。
2006年7月，CCTV-5以“实现资源最大化，减少中间环节，强化执行力”为目的，以“面向奥运、整合资源、加强管理、锻造品牌”为指导思想，推行频道制管理模式，但对外仍保留“体育节目中心”呼号。实行频道制后，撤销综合部、体育新闻部、体育竞赛部、体育编辑部，初步建立起扁平化管理模式，新闻、竞赛、栏目3个系统成为频道支柱。成立频道编辑部，管理层设置频道总监、副总监、总监助理、频道编辑部主任等岗位。频道编辑部下设策划组、编播组等6个公共职能组。
2006年8月16日起，因中央电视台在晚间黄金时段全面启动“绿色广告标识”的审核工作，CCTV-5在晚间黄金时段播广告时，屏幕右上角显示半透明状的“绿色广告标识”。
2007年5月12-20日，第7届全国残疾人运动会在云南省举行，央视首次使用“虚拟人手语新闻播报系统”，CCTV-5全天播出7档新闻节目。
2007年，经过短期的磨合，CCTV-5新的管理体制很快显现出活力，开始发挥作用，赛事、新闻、栏目的节目质量有明显提高，节目策划、节目编排和经费管理等进入有序、规范的管理阶段。 从2008年北京奥运会开始，CCTV-5的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，在CCTV-1、CCTV-2等频道中也同样适用。
2011年1月1日，频道正式更换频道标志 ，其中原有的该频道标志的下方加上“体育”二字，同时停用晚间黄金时段广告期间屏幕右上角的“绿色广告标识”。
2012年5月16日，体育频道首次搬入新台址，并承担伦敦奥运会的转播工作。
2012年9月28日，该频道进行高清和标清同步播出。
2013年1月1日，体育频道再次改版并更换为第六版包装（从2013年1月1日起）。
2013年起，因央视加强公益广告审核工作，该频道在播出公益广告时，右上角显示彩色色块的“公益广告标识”。
2014年1月15日0时7分28秒，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。（但有时该频道会因播出故障台标恢复4:3，甚至不显示报时器）
从2000年起，每逢奥运会期间，CCTV-5呼号为奥运频道”，全方位报道各届奥运会。奥运会期间，央视一套、二套或者七套也会参与直播。
在奥运频道台标期间，按照奥林匹克宪章规定，奥运五环标志不得用于商业用途，因此广告期间奥运五环台标会消失，直至节目继续时恢复台标显示。其次为了记分牌不被遮盖，奥运期间台标放置到右上方，待奥运结束后台标恢复左上方几天后恢复CCTV-5台标。
与央视其它免费频道一样，CCTV-5会在北京时间每天早上5:55播放中华人民共和国国歌，不过与其它频道播出的画面不同，播出的画面为中国运动员在奥运会上夺取金牌的场面。
