Botvinnik blev udvalgt til det sovjetiske OL-hold fra 1954 til 1964 inklusiv, og hjalp sit hold til guldmedalje hver af de seks gange. På Amsterdam 1954 var han om bord på en og vandt guldmedaljen med 81⁄2/11. På hjemmebane i Moskva i 1956 var han igen på første bord, og scorede 91⁄2/13 for bronzemedaljen. For München 1958 scorede han 9/12 for sølvmedaljen på bord et. På
Leipzig 1960, han spillede bord to bag Mikhail Tal, efter at have mistet sin titel til Tal tidligere samme år, men han vandt bord to guldmedalje med 101⁄2/13. Han var tilbage om bord en for Varna 1962, scorede 8/12, men undlod at vinde en medalje for den eneste gang på en Olympiade. Hans sidste olympiske lege var i Tel Aviv 1964, hvor han vandt bronze med 9/12, da han havde tabt sin titel til Petrosian. I alt i seks Olympiader, scorede han 541⁄2/73 for en fremragende