Po raz pierwszy w historii TVP samodzielnie przygotowywała transmisje międzynarodowe. Organizatorzy powierzyli Telewizji Polskiej realizowanie międzynarodowego sygnału z zawodów w judo i w zapasach oraz, wspólnie z grecką telewizją publiczną ERT, z zawodów w podnoszeniu ciężarów. TVP zrealizowała transmisje z zawodów judo i w zapasach korzystając z 5 wozów transmisyjnych 29 osób obsługi realizacyjnej i 22 obsługi technicznej. Do istniejącej instalacji kablowej ekipy TVP dodały ok. 4 km kabli.
Igrzyska Olimpijskie relacjonowane były w TVP1 (łącznie ponad 110 godzin), w TVP2 (136 godzin) i w TVP3 Regionalnej (51 godzin), od 7 rano do około 1 w nocy. Relacje rozpoczynał emitowany w TVP2 program „Dzień Dobry Ateny“, podsumowujący dzień poprzedni i prezentujący transmisje z konkurencji porannych. Relacje kończyły dwie audycje. W nadawanym w „Jedynce“ programie „Dobry Wieczór Ateny“ emitowanym z greckiego studia można było zobaczyć podsumowanie mijającego dnia, rozmowy z gośćmi oraz relacje z konkurencji rozgrywanych późnym wieczorem. „Dwójka“ zamykała dzień programem „Ateny 2004 – Wydarzenia dnia“, prowadzonym ze studia w Warszawie na zmianę przez Dariusza Szpakowskiego i Jacka Kurowskiego.
Telewizja dysponowała własnym studiem w Atenach do którego byli zapraszani sportowcy i działacze sportowi, a także obecne na Igrzyskach znane osobistości ze świata kultury, sztuki i polityki. Studio prowadzili: Paulina Chylewska, Maciej Kurzajewski, Włodzimierz Szaranowicz, Przemysław Babiarz i Piotr Sobczyński. Igrzyska Olimpijskie w Atenach były jednym z największych przedsięwzięć technicznych w historii Telewizji Polskiej.
Specjalnie dla widzów telewizyjny Ośrodek Nowe Media uruchomił dwa internetowe serwisy poświęcone Igrzyskom Olimpijskim w Atenach: ogólny serwis informacyjny i specjalny serwis skierowany do młodego odbiorcy, pod nazwą „Młodsza strona Aten“. Oba były dostępne na stronie www.tvp.pl/ateny/. Serwisy miały w Atenach swojego korespondenta, przygotowującego na ich potrzeby relacje z Igrzysk. Teksty uzupełnione były o galerie zdjęć i materiały multimedialne.
Ponadto TVP jako pierwsza w Polsce i jedna z nielicznych telewizji na świecie uruchomiła transmisje „na żywo” z Aten w telefonie GSM pod nazwą „TVP Serwis mobilny”. Widzowie mogli wybierać spośród 4 kanałów dostępnych jednocześnie z 4 różnych aren sportowych w Grecji. Oprócz materiałów wideo serwis zawierał również najświeższe informacje tekstowe z Olimpiady.
Telewizja Polska razem z Polską Fundacją Olimpijską przygotowała także konkurs dla widzów, związany z IO w Atenach. Widzowie wygrywali wysokie nagrody pieniężne ( nagroda główna wynosiła 100 000 złotych ) oraz rzeczowe, w tym samochód Fiat Panda Active.