Nel 1960 l’Italia ospitò per la prima volta le Olimpiadi estive, i Giochi della XVII Olimpiade si svolsero a Roma dal 25 agosto all’11 settembre; il torneo di calcio venne disputato anche in altre città, al Comunale di Firenze furono giocati alcuni incontri riservati alle nazionali giovanili, e precisamente le sfide Francia-Perù, Jugoslavia-Turchia e Italia-Brasile. Nel 1969 fu avanzata la candidatura di Firenze per ospitare i Giochi della XXI Olimpiade del 1976, che vennero poi assegnati a Montréal: nel dossier venne proposta la realizzazione di un nuovo Stadio Olimpico fiorentino da 80 000 posti, per le cerimonie e per l’atletica leggera, e il Comunale, da ampliare anch’esso a una capienza di 80 000 posti, avrebbe dovuto invece ospitare incontri del torneo di calcio e di hockey su prato. Sede di vari eventi di atletica leggera, nel 1933 Luigi Beccali, medaglia d’oro nei 1500 metri ai Giochi della X Olimpiade di Los Angeles, batté il record italiano degli 800 metri durante l’intervallo di una gara di campionato fra Fiorentina e Roma. Uno dei maggiori allenatori degli anni venti e trenta, Hugo Meisl, tecnico del Wunderteam, descrisse il nuovo impianto fiorentino come «il migliore stadio del mondo sia dal punto di vista strettamente estetico che da quello della funzionalità delle sue attrezzature sportive e della comodità per il pubblico: un’opera all’altezza di Firenze».
Il 7 maggio di quell’anno la nazionale di calcio italiana giocò per la prima volta nell’impianto fiorentino davanti a circa 25 000 spettatori, nell’incontro valido per la Coppa Internazionale 1933-1935 che vide gli Azzurri prevalere sulla Cecoslovacchia per 2-0, con reti di Giovanni Ferrari e Angelo Schiavio. Durante la seconda guerra mondiale, il 22 marzo 1944 lo stadio fu teatro della strage dei martiri del Campo di Marte; un tribunale speciale straordinario, convocato per giudicare alcuni renitenti alla leva, decise di condannare a morte cinque giovani rastrellati a Vicchio dalla milizia della Repubblica Sociale Italiana il 12 marzo precedente; fu presa questa decisione sia per ammonire le reclute che avevano intenzione di disertare, sia per punire la stessa cittadina mugellana che alcuni giorni prima era stata occupata da alcuni partigiani, che procedettero all’uccisione di diversi simpatizzanti fascisti. La nazionale A dell’Italia ha vinto quattro edizioni del campionato mondiale di calcio (Italia 1934, Francia 1938, Spagna 1982 e Germania 2006), la massima competizione calcistica per squadre nazionali maschili, classificandosi seconda in altre due occasioni (Messico 1970 e Stati Uniti 1994); inoltre, si è classificata terza a Italia 1990 e quarta ad Argentina 1978. Per contro, non ha partecipato alla prima edizione (Uruguay 1930) e non si è qualificata a quelle di Svezia 1958, Russia 2018 e Qatar 2022; inoltre, non ha superato il primo turno del campionato del mondo in sette occasioni.
L’11 giugno, invece, la squadra gigliata affrontò la Lazio e vinse la sua seconda coppa nazionale, battendo i capitolini per 2-0 con reti di Gianfranco Petris e Luigi Milan. Nella stagione seguente lo stadio fu teatro della finale di una competizione europea per club e della terza finale di Coppa Italia in gara unica: il 27 maggio 1961 si giocò la gara di ritorno della Coppa delle Coppe, disputata tra la Fiorentina e gli scozzesi del Rangers, con i Viola che vinsero, dopo il 2-0 all’andata a Glasgow, anche il ritorno per 2-1 con reti viola di Luigi Milan e Kurt Hamrin e conquistarono il loro primo trofeo europeo. Già alla fine degli anni quaranta, sebbene privo dei mezzi finanziari del passato, Luigi Ridolfi commissionò a Pier Luigi Nervi un piano di ampliamento dello stadio per giungere alla capacità di 80 000 spettatori, grazie al raddoppio delle tribune. Alla fine degli anni 1960, l’impianto toscano fu inoltre sede della semifinale del campionato europeo di calcio 1968, disputato in Italia, che vide contrapposte le nazionali di Jugoslavia e Inghilterra, terminata 1-0 con rete di Dragan Džajić di fronte a 21 834 paganti.
