Le relais 4 × 400 mètres masculin figure au programme des Jeux olympiques depuis l'édition de 1912 à Stockholm. Les femmes ne participent à cette épreuve que depuis les Jeux de 1972, à Munich. Le relais 4 × 400 m mixte apparait au programme olympique à l'occasion des Jeux de 2020 à Tokyo.
Les records olympiques de la discipline sont actuellement détenus, chez les hommes, par l'équipe des États-Unis (LaShawn Merritt, Angelo Taylor, David Neville et Jeremy Wariner) qui établit le temps de en finale des Jeux olympiques de 2008, à Pékin, et par l'équipe d'URSS chez les femmes (Tatyana Ledovskaya, Olga Nazarova, Mariya Kulchunova-Pinigina et Olga Vladykina-Bryzgina), créditée de lors des Jeux olympiques de 1988, à Séoul.
Après les Jeux olympiques de 2020, les États-Unis détiennent le record de victoires masculines (18) et féminines (8).
Éditions +Relais 4 × 400 mètres aux Jeux olympiques N° Édition Ville Hommes Femmes Mixte 1 Athènes 2 Paris 3 Saint-Louis 4 Londres 5 StockholmX 6 AnversX 7 ParisX 8 AmsterdamX 9 Los AngelesX 10 BerlinX 11 LondresX 12 HelsinkiX 13 MelbourneX 14 RomeX 15 TokyoX 16 MexicoX 17 MunichXX 18 MontréalXX 19 MoscouXX 20 Los AngelesXX 21 SéoulXX 22 BarceloneXX 23 AtlantaXX 24 SydneyXX 25 AthènesXX 26 PékinXX 27 LondresXX 28 Rio de JaneiroXX 29 TokyoXXX 30 ParisXXXTotal26142
Hommes Historique 1912-1936 thumb|left|upright=1.2|Le relais britannique titré lors des Jeux olympiques de 1920. L'épreuve du relais 4 × 400 mètres fait sa première apparition olympique lors des Jeux olympiques de 1912, à Stockholm, où la finale voit s'opposer trois équipes. La course est remportée par l'équipe des États-Unis composée de Mel Sheppard, Edward Lindberg, Ted Meredith et Charles Reidpath, champion olympique du quelques jours plus tôt. Le relais américain s'impose en , temps constituant le nouveau record du monde. La France (Charles Lelong, Robert Schurrer, Pierre Failliot et Charles Poulenard) se classe deuxième de l'épreuve en , devant la Grande-Bretagne (George Nicol, Ernest Henley, James Soutter et Cyril Seedhouse), troisième en .
En 1920, lors des Jeux olympiques d'Anvers, la victoire revient à l'équipe de Grande-Bretagne (Cecil Griffiths, Robert Lindsay, John Ainsworth-Davies et Guy Butler) qui s'impose dans le temps de , devant l'Afrique du Sud (Henning Dafel, Clarence Oldfield et Jack Oosterlaak, et Bevil Rudd), deuxième en et la France (Georges André, Gaston Féry, Maurice Delvart et André Devaux), troisième en . Après un accident de parcours survenu à leur premier relayeur, George Schiller, les États-Unis se classent de l'épreuve.
Quatre ans plus tard, à Paris lors des Jeux olympiques de 1924, les États-Unis s'adjugent le titre olympique en établissant un nouveau record du monde en . Composée de Commodore Cochran, Alan Helffrich, Oliver MacDonald et William Stevenson, l'équipe américaine devance de plus d'une seconde la Suède (Artur Svensson, Erik Byléhn, Gustaf Wejnarth et Nils Engdahl) et la Grande-Bretagne (Edward Toms, George Renwick, Richard Ripley et Guy Butler), privée du champion olympique du Eric Liddell .
Les États-Unis conservent leur titre lors des Jeux olympiques de 1928, à Amsterdam, en établissant en finale un nouveau record du monde en . L'équipe américaine, composée de George Baird, Emerson Spencer, Frederick Alderman et du champion olympique du Ray Barbuti, devance de 6/ de seconde l'Allemagne (Otto Neumann, Harry Storz, Richard Krebs et Hermann Engelhard) et de plus d'une seconde le Canada (Alex Wilson, Phil Edwards, Stanley Glover et James Ball) . La Grande-Bretagne, qui avait établi le meilleur temps des séries, ne se classe que de l'épreuve.
En 1932, lors des Jeux olympiques de Los Angeles, le relais américain remporte un nouveau titre olympique en établissant pour la troisième fois consécutive un nouveau record du monde, en . L'équipe des États-Unis, composée de Ivan Fuqua, Edgar Ablowich, Karl Warner et Bill Carr, champion olympique du et détenteur du record mondial, précède de plus de trois secondes le relais britannique (Crew Stoneley, Tommy Hampson, David Burghley et Godfrey Rampling) et le relais canadien (Ray Lewis, James Ball, Phil Edwards et Alex Wilson) .
Lors des Jeux olympiques de 1936, à Berlin, les États-Unis commettent l'erreur de se priver de leurs deux meilleures individualités, Archie Williams et James LuValle qui ont couru l'épreuve individuelle du . En leur absence, les Américains (Harold Cagle, Robert Young, Edward O’Brien et Alfred Fitch) terminent en deuxième position, à deux secondes de l'équipe de Grande-Bretagne (Frederick Wolff, Godfrey Rampling, William Roberts et Godfrey Brown), championne olympique en . L'Allemagne (Helmut Hamann, Friedrich von Stülpnagel, Harry Voigt et Rudolf Harbig) complète le podium en .
1948-1964 thumb|Otis Davis à l'arrivée de la finale du relais 4 × 400 m des Jeux olympiques de 1960. La Jamaïque est la favorite du relais 4 × 400 m des Jeux olympiques de 1948, à Londres, après avoir obtenu les médailles d'or et d'argent lors de l'épreuve du par Arthur Wint et Herb McKenley. Cependant, victime d'un claquage dans le dernier tour de la finale du 4 × 400 m, Wint est contraint à l'abandon. La victoire revient à l'équipe des États-Unis (Arthur Harnden, Clifford Bourland, Roy Cochran et Mal Whitfield) qui s'impose dans le temps de , devant l'équipe de France (Jean Kerebel, François Schewetta, Robert Chef d’Hôtel et Jacques Lunis), deuxième en et l'équipe de Suède (Kurt Lundquist, Lars-Erik Wolfbrandt, Folke Alnevik, Rune Larsson), troisième en .
En 1952, lors des Jeux olympiques d'Helsinki, la Jamaïque obtient le titre olympique en alignant George Rhoden, champion olympique sur , Herb McKenley, alors détenteur du record du monde du et médaillé d'argent sur , plus Arthur Wint et Leslie Laing. Elle s'impose dans le temps de et améliore de près de le record du monde que détenait les États-Unis depuis 1932. Les Américains Ollie Matson, Gene Cole, Charles Moore et Mal Whitfield se classent deuxième de l'épreuve en , devant les Allemands Hans Geister, Günther Steines, Heinz Ulzheimer et Karl-Friedrich Haas, troisièmes en .
Quatre ans plus tard, à Melbourne lors des Jeux olympiques de 1956, les États-Unis l'emportent avec Charlie Jenkins, déjà champion olympique sur , Louis Jones, détenteur du record du monde du , James Mashburn et Tom Courtney, champion olympique sur , en réalisant le temps de . Ils devancent l'Australie (Graham Gipson, Leon Gregory, David Lean et Kevan Gosper), deuxième en , et la Grande-Bretagne (Francis Higgins, Michael Wheeler, John Salisbury et Derek Johnson), troisième en .
Les États-Unis conservent leur titre lors des Jeux olympiques de 1960, à Rome, où Jack Yerman, Earl Young, Glenn Davis, champion olympique sur haies, et Otis Davis, champion olympique du , s'imposent en portant le record du monde à . L'Allemagne (Joachim Reske, Manfred Kinder, Johannes Kaiser et Carl Kaufmann) se classe deuxième en alors que les Indes occidentales (Malcolm Spence, James Wedderburn, Keith Gardner et George Kerr) terminent troisième de l'épreuve en .
En 1964, lors des Jeux olympiques de Tokyo, les États-Unis obtiennent un nouveau titre olympique et améliorent une nouvelle fois le record du monde, en . Les médaillés d'or Ollan Cassell, Michael Larrabee, champion olympique du et détenteur du record du monde, Ulis Williams et Henry Carr, champion olympique du , devancent la Grande-Bretagne (Timothy Graham, Adrian Metcalfe, John Cooper et Robbie Brightwell), deuxième en et Trinité-et-Tobago (Edwin Skinner, Kent Bernard, Edwin Roberts et Wendell Mottley), troisième en . Henry Carr creuse un écart décisif sur ses adversaires lors du tour de piste .
1968-1984 thumb|left|Finale des Jeux olympiques de 1984, à Los Angeles Le relais 4 × 400 mètres des Jeux olympiques de 1968, à Mexico, est remporté par les États-Unis qui aligne en finale les trois médaillés du , Lee Evans, Larry James et Ron Freeman, plus Vincent Matthews. Le relais américain établit un nouveau record du monde en , améliorant de près de trois secondes l'ancienne meilleure marque mondiale. Le Kenya (Daniel Rudisha, Hezahiah Nyamau, Naftali Bon et Charles Asati) s'adjuge la médaille d'argent en et la République fédérale d'Allemagne (Helmar Müller, Manfred Kinder, Gerhard Hennige et Martin Jellinghaus) la médaille de bronze en . La veille, lors des séries, les américains avaient égalé le record olympique en .
Quatre ans plus tard, aux Jeux olympiques de 1972, à Munich, les Américains ne peuvent défendre leur titre olympique : Vincent Matthews et Wayne Collett, premier et deuxième de l'épreuve du , sont en effet suspendus par le CIO pour attitude incorrecte sur le podium quelques jours plus tôt, alors que John Smith est blessé. Ne disposant que de deux autres coureurs, dont Lee Evans, ils renoncent à participer à la compétition. La victoire revient à l'équipe du Kenya (Charles Asati, Hezahiah Nyamau, Robert Ouko et Julius Sang) qui s'impose dans le temps de , devant la Grande-Bretagne (Martin Reynolds, Alan Pascoe, David Hemery et David Jenkins), deuxième en , et la France (Gilles Bertould, Daniel Velasques, Francis Kerbiriou et Jacques Carette), troisième en .
En 1976, aux Jeux olympiques de Montréal, le relais américain avec Herman Frazier et Fred Newhouse, respectivement deuxième et troisième de l'épreuve du , Benjamin Brown et Maxie Parks, s'imposent dans le temps de . Terminant à plus de trois secondes des États-Unis, la Pologne est médaillée d'argent (Ryszard Podlas, Jan Werner, Zbigniew Jaremski et Jerzy Pietrzyk) et la République fédérale d'Allemagne est médaillée de bronze (Franz-Peter Hofmeister, Lothar Krieg, Harald Schmid et Bernd Herrmann). Titré sur , Alberto Juantorena se classe de la course en compagnie de ses coéquipiers de Cuba.
Les Jeux olympiques de 1980 sont marqués par le boycott d'une cinquantaine de nations, dont les États-Unis. À Moscou, la victoire revient à l'équipe d'Union soviétique (Viktor Markin, Remigijus Valiulis, Mikhail Linge et Nikolay Chernetsky) qui s'impose dans le temps de avec comme premier relayeur le champion olympique du Viktor Markin . Elle devance la République démocratique allemande (Klaus Thiele, Andreas Knebel, Frank Schaffer et Volker Beck), deuxième en et l'Italie (Roberto Tozzi, Mauro Zuliani, Stefano Malinverni et Pietro Mennea), troisième en . Le temps du vainqueur est le moins rapide depuis les Jeux olympiques de 1960.
Les États-Unis remportent le titre des Jeux olympiques de 1984 à Los Angeles, en , établissant la deuxième meilleure performance de tous les temps sur . Le relais américain, composé de Sunder Nix, Ray Armstead, Alonzo Babers (champion olympique sur ) et Antonio McKay, devance de près d'une seconde et demi la Grande-Bretagne (Kriss Akabusi, Gary Cook, Todd Bennett et Philip Brown) qui descend pour la première fois sous les (, record d'Europe) et le Nigeria (Sunday Uti, Moses Ugbusien, Rotimi Peters et Innocent Egbunike), médaillé de bronze en .
1988- 2004 thumb|Michael Johnson, champion olympique du en 1992. Le relais 4 × 400 m des Jeux olympiques de 1988, à Séoul, est remporté par les États-Unis qui égalent le record du monde établi par leurs homologues lors des Jeux de 1968, en . L'équipe est composée de Steve Lewis, Harry Butch Reynolds et Danny Everett, les trois médaillés de l'épreuve du , et de Kevin Robinzine. La Jamaïque (Howard Davis, Devon Morris, Winthrop Graham et Bert Cameron) termine deuxième à près de quatre secondes des vainqueurs (), devant la République fédérale d'Allemagne (Norbert Dobeleit, Edgar Itt, Jorg Vaihinger et Ralf Lubke), troisième en .