1958年6月19日，央視在北京體育館直播了“八壹”籃球隊與北京籃球隊的友誼比賽，這是中國體育電視史上的第1次實況轉播。
1994年3月，關於建立央視體育頻道的報告經臺領導批準，使用北京地區的33頻道，試播日期定為1994年10月1日，每晚安排4個小時節目，主要用於調試33頻道這個新的頻段。正式播出日期定為1995年1月1日，從12點到24點，首播節目為每天8小時。
1994年11月1日，由於當年10月4日央視開始報道第12屆亞運會，因此體育頻道的正式籌備從當天開始。
1995年1月1日北京時間12點整，CCTV-5作為中國第1個自辦的體育頻道如期播出。體育頻道設立之初，設置了48個欄目，並率先與國家體委（國家體育總局前身）有關部門簽訂了長期協議，辟出固定時間直播國內各項聯賽和比賽；還采用制片人負責制，利用社會上的制作力量制作時效性不強的10個欄目。
1995年11月1日，CCTV-5通過衛星向全國播出，播出時間由12點提前到8點30分，每天播出16小時，其中首播節目10小時。
經過1996和1997年兩年的努力，CCTV-5擁有了《體育新聞》《足球之夜》《世界體育報道》等壹批高質量、有影響的優秀欄目。
1998年5月，央視在原新聞節目中心體育部的基礎上組建原體育節目中心，負責規劃、采編、制作和播出國內外體育節目，管理、編排播出CCTV-5及其它頻道有關體育的節目，下設綜合部、新聞部、競賽部和交互電視籌備部。
1998年10月30日，央視原體育節目中心首次從國外引進的專利節目——大型體育娛樂節目《城市之間》在CCTV-5開播。
2000年11月27日，CCTV-5推出以國際足球賽事轉播及評介為主要內容的新欄目《天下足球》。
2001年1月1日，CCTV-5改版，將原來的34個欄目整合為17個欄目，《體育新聞》每天播出兩檔節目，***45分鐘；頻道全年各類活動和賽事直播達1200場，平均每天播出超過3場比賽。
2001年7月13日，北京申奧成功。為配合申奧報道工作，根據原北京奧申委和原國家廣電總局、央視的統壹部署，CCTV-5遵循“展現新聞事件的全過程，平和引導觀眾心理，註重技術細節和背景介紹”的報道原則，直播中，主持人總體口徑把握平穩，充滿信心，平靜祥和，對事件進程和情緒把握適當；整個報道過程在申辦前、出結果前不造勢、不煽情、不拔高、不評論、不對競爭對手說三道四，較好地完成了14個小時的直播和新聞報道工作。當天《新奧運》直播節目的收視率，CCTV-5為4.50%。
2001年，經過精心籌備，央視推出“中國電視體育獎”評選活動（CCTV體壇風雲人物評選活動前身），每年舉行1次，獎杯由純銀制成，重兩千克，由獲獎者永久保留。
2002年3月22日，首屆“中國電視體育獎”頒獎典禮舉行，***設12個獎項。
2002年5月9-19日，CCTV-5等首次全程轉播“湯姆斯杯”和“尤伯杯”世界羽毛球團體錦標賽，並向其他國家和地區提供國際公用信號。
2003年2月28日，第2屆“中國電視體育獎”評選活動舉辦，提升了CCTV-5在觀眾心目中的地位。
2003年3月31日，以“讓體育頻道更好看”為目標，本著“賽事第壹”的原則，CCTV-5再次改版。此次改版著重改進了頻道的外在形式、制作方法和節目編排等方面，增設《輕松體育》《巔峰時刻》《全明星猜想》《電子競技世界》《頂級賽事》《直播周末》等6個欄目和板塊，介紹前衛運動、濃縮最新、最高水平的國際賽事。其中綜合板塊《直播周末》按照大型綜合性運動會模式，對節目時段內的直播比賽、實況錄像、專題、新聞節目進行整合，節目銜接自然、靈活、緊湊，同時采用主持人隨時播報最新消息的形式，增大節目的信息量，增強節目的時效性。
2003年8月3日，CCTV-5等現場直播2008年北京奧運會會徽發布儀式，並為國際奧委會和多家國內外媒體提供轉播信號。
2003年，為配合奧運宣傳，CCTV-5《體育人間》欄目播出120集大型人物紀錄片《中國奧運冠軍特輯》，講述了中國運動員自1984年洛杉磯奧運會起，在歷屆奧運會上勇奪金牌的故事。該節目自2004年2月在央視播出後，引起極大關註。同年4月，香港電視廣播有限公司（TVB）向中國國際電視總公司購買了該節目在香港地區的播映權，並於同年6月初在TVB8（覆蓋美洲），6月底在TVB播出。
2005年9月5日，圍繞“突出賽事、加強新聞、改進編排、提升份額”的目標，CCTV-5實施改版，實現24小時播出，實行動態節目編排，賽事優先、新聞優先、直播優先。《北京2008》《賽車時代》《人間體育》等具有特色和亮點的節目的推出，使體育頻道收視份額明顯增長，收視成績突出。
2006年7月，CCTV-5以“實現資源最大化，減少中間環節，強化執行力”為目的，以“面向奧運、整合資源、加強管理、鍛造品牌”為指導思想，推行頻道制管理模式，但對外仍保留“體育節目中心”呼號。實行頻道制後，撤銷綜合部、體育新聞部、體育競賽部、體育編輯部，初步建立起扁平化管理模式，新聞、競賽、欄目3個系統成為頻道支柱。成立頻道編輯部，管理層設置頻道總監、副總監、總監助理、頻道編輯部主任等崗位。頻道編輯部下設策劃組、編播組等6個公***職能組。
2006年8月16日起，因中央電視臺在晚間黃金時段全面啟動“綠色廣告標識”的審核工作，CCTV-5在晚間黃金時段播廣告時，屏幕右上角顯示半透明狀的“綠色廣告標識”。
2007年5月12-20日，第7屆全國殘疾人運動會在雲南省舉行，央視首次使用“虛擬人手語新聞播報系統”，CCTV-5全天播出7檔新聞節目。
2007年，經過短期的磨合，CCTV-5新的管理體制很快顯現出活力，開始發揮作用，賽事、新聞、欄目的節目質量有明顯提高，節目策劃、節目編排和經費管理等進入有序、規範的管理階段。 從2008年北京奧運會開始，CCTV-5的臺標不再只是出現在左上端，而是根據轉播的具體情況，將臺標移動到右上端。如比分牌放在熒幕左上方，以前CCTV-5的臺標會遮擋住比分牌，而之後會移動到右上方。這樣的安排，在CCTV-1、CCTV-2等頻道中也同樣適用。
2011年1月1日，頻道正式更換頻道標誌 ，其中原有的該頻道標誌的下方加上“體育”二字，同時停用晚間黃金時段廣告期間屏幕右上角的“綠色廣告標識”。
2012年5月16日，體育頻道首次搬入新臺址，並承擔倫敦奧運會的轉播工作。
2012年9月28日，該頻道進行高清和標清同步播出。
2013年1月1日，體育頻道再次改版並更換為第六版包裝（從2013年1月1日起）。
2013年起，因央視加強公益廣告審核工作，該頻道在播出公益廣告時，右上角顯示彩色色塊的“公益廣告標識”。
2014年1月15日0時7分28秒，該頻道的標清版本的16:9節目播出方式由上下加黑邊（Letterbox）方式顯示16:9畫面改為將16:9播出素材橫向壓縮成4:3，但是臺標還是原先的4:3比例，導致用畫面比例為16:9的設備收看該頻道標清版時節目沒有變形，但臺標橫向拉伸變形，直到2015年4月1日臺標調整才得以解決。（但有時該頻道會因播出故障臺標恢復4:3，甚至不顯示報時器）
從2000年起，每逢奧運會期間，CCTV-5呼號為奧運頻道”，全方位報道各屆奧運會。奧運會期間，央視壹套、二套或者七套也會參與直播。
在奧運頻道臺標期間，按照奧林匹克憲章規定，奧運五環標誌不得用於商業用途，因此廣告期間奧運五環臺標會消失，直至節目繼續時恢復臺標顯示。其次為了記分牌不被遮蓋，奧運期間臺標放置到右上方，待奧運結束後臺標恢復左上方幾天後恢復CCTV-5臺標。
與央視其它免費頻道壹樣，CCTV-5會在北京時間每天早上5:55播放中華人民***和國國歌，不過與其它頻道播出的畫面不同，播出的畫面為中國運動員在奧運會上奪取金牌的場面。