Der TSV Bayer 04 Leverkusen ist der größte Sportverein in Leverkusen und war es sportartübergreifend der alten Bundesrepublik (bis zur Wiedervereinigung 1990). Er wurde ursprünglich am 1. Juli 1904 unter dem Namen Turn- und Spielverein der Farbenfabriken vormals Friedrich Bayer & Co. als Betriebssportverein gegründet. In seiner heutigen Struktur entstand er durch die 1984 vollzogene Wiedervereinigung der in den 1920er Jahren getrennten Vereinsteile Sportvereinigung Bayer 04 Leverkusen und Turn- und Spielverein 04 Bayer Leverkusen.
In insgesamt elf Abteilungen und zwei Bereichen deckt der Verein ein breites sportliches Spektrum vom Jugend- und Breitensport bis zum Spitzensport ab. Die Abteilungen sind Basketball, Behindertensport, Boxen, Faustball, Fechten, Handball, Judo, Leichtathletik, Turnen und Volleyball. Außerdem wird Freizeit- und Breitensport sowie Kinder- und Jugendsport angeboten. Die professionelle Fußballabteilung wurde 1999 in eine eigenständige Gesellschaft ausgegliedert, die Bayer 04 Leverkusen Fußball GmbH, an der der Verein keine Anteile mehr besitzt; einzig der Vorsitzende des TSV, Klaus Beck, sitzt im von der Bayer AG berufenen Gesellschafterausschuss.
Im Februar 1903 schrieb Wilhelm Hauschild einen von 170 Arbeitern des Bayer-Konzerns unterzeichneten Brief an die Firmenleitung mit der Bitte, einen konzerneigenen Sportverein zu gründen. Nachdem das Unternehmen eingewilligt hatte, kam es am 1. Juli 1904 zur Gründung des Turn- und Spielverein 1904 der Farbenfabrik vormals Friedrich Bayer Co. Leverkusen (kurz TUS 04). Erster Vorsitzender des Vereins wurde Major a. D. Albert Mandel, der seit 1903 Wohlfahrtsdirektor im Bayerwerk war.
In den 1920er Jahren forderte die Deutsche Turnerschaft (DT) ihre Mitglieder dazu auf, sich zwischen der Mitgliedschaft in der DT oder der in einem anderen Sportbund zu entscheiden („reinliche Scheidung von Turnern und Sportlern“). Dies sorgte dafür, dass u. a. die Fußballer, die weiter im DFB organisiert sein wollten, den TUS verließen und mit dem FV 04 Leverkusen einen eigenständigen Verein gründeten. 1928 schloss sich der FV 04 mit dem bereits 1921 aus dem TUS herausgelösten Box- und Sportverein Wiesdorf zur Sportvereinigung Leverkusen 04 zusammen, die später als SV Bayer 04 Leverkusen bekannt wurde.
Während das Turnen und später z. B. der Basketball beim TUS 04 beheimatet waren und Sportarten wie Fußball sowie Boxen ihre Heimat beim SVB fanden, wurden andere Sportarten in den folgenden Jahrzehnten in beiden Vereinen praktiziert. So kam es u. a. dazu, dass in den 50er Jahren die TUS-Handballer in die erste Liga aufstiegen und dort als Kontrahenten auf den amtierenden Deutschen Meister SV Bayer 04 trafen. Besonders in der Leichtathletik stellten beide Vereine über Jahre deutsche Spitzensportler.
Im Jahr 1984 kam es durch die Entscheidung einer Mitgliederversammlung zur Wiedervereinigung der beiden Schwestervereine, die bis dahin jeweils mehr als hundert nationale und internationale Titel in unterschiedlichsten Sportarten erringen konnten. Fortan nannte sich der Verein TSV Bayer 04 Leverkusen.
Bis in die 1950er Jahre hatten sich in Leverkusen noch weitere Bayer-Sportvereine gebildet, in denen Sportarten praktiziert wurden, die in den beiden großen Werksvereinen nicht beheimatet waren. Diese Vereine blieben weiterhin eigenständig. Bekanntestes Beispiel ist der RTHC Bayer Leverkusen (Ruder-Tennis-Hockeyclub).
Während der Zeit der Weimarer Republik unterstützte die Bayer AG auch den Turn- und Stemmclub Germania Wiesdorf von 1901. Sportwissenschaftler Andreas Luh bezeichnet den Verein als einmaliges Beispiel eines im sozialistisch geprägten Arbeiter-Turn- und Sportbund (ATSB) organisierten Werksvereins. Die politische Zerschlagung des ATSB infolge der Machtübernahme der Nationalsozialisten leitete jedoch das Ende des Arbeiter-Turnvereins Wiesdorf ein. 1937 schlossen sich die Ringer und Stemmer des Vereins daher dem TuS 04 an. Die Abteilung ging später in der Judo-Abteilung auf, welche ihre Wurzeln somit im sozialistisch geprägten Arbeiter-Turnverein hatte.
Die Basketballmannschaften von Bayer 04 Leverkusen nennen sich Bayer Giants Leverkusen. Die erste Herrenmannschaft spielt aktuell (2025/26) in der 2. Bundesliga ProA (zweithöchste deutsche Spielklasse). Insgesamt stellt der Verein 18 Teams, von der ersten Herrenmannschaft bis zum U-10-Team der unter Zehnjährigen. Die erste Mannschaft erreichte 1968 den Aufstieg in die Bundesliga und gewann schon zwei Jahre später den ersten Meistertitel. Der Verein gilt im deutschen Basketball als sehr erfolgreich, was 14 nationale Meistertitel (Rekord) und zehn Pokalsiege belegen. Zurückzuführen ist dies auf eine intensive Jugendarbeit, in der seit über dreißig Jahren junge Basketballspieler gefördert werden. Die Jugendteams konnten bislang 18 deutsche Meistertitel erringen. 2006 nahm eine Mannschaft der Bayer Giants Leverkusen an der neu gegründeten Nachwuchs-Basketball-Bundesliga (NBBL) teil, 2013 wurden die Bayer Giants in der Jugend-Basketball-Bundesliga (JBBL) erstmals Deutscher Meister. Seit 2025 ist man auch Rekordmeister der ProB.
Nach der Neuausrichtung der Bayer AG im Sponsoring des Sportbereichs mussten die Giants nach der Saison 2007/08 in die 1. Regionalliga West zwangsabsteigen, da sich kein externer Sponsor fand, welcher die Etatkosten der Abteilung in der Bundesliga tragen wollte bzw. konnte. Bereits im Frühjahr 2009 stiegen die Leverkusener als Meister der Regionalliga wieder in die ProB auf. Nach vier Jahren in der dritthöchsten deutschen Spielklasse gelang den Bayer-Basketballern mit einem ProB-Finalsieg über die EN Baskets Schwelm unter Coach Achim Kuczmann der Titelgewinn und der damit verbundene Aufstieg in die ProA. Nach der Spielzeit 2015/16 stieg man in die ProB ab, 2018/19 gelang der Wiederaufstieg unter Trainer Hansi Gnad in die ProA, ohne auch nur ein Heimspiel in der Saison zu verlieren. Mit dem Einzug ins Finale um den Meisterschaftsgewinn in der ProA 2021/22 hatten sich die Giants die sportliche Qualifikation für die Basketball-Bundesliga 2021/22 erspielt. Allerdings konnten die Leverkusener die Lizenz aus finanziellen Gründen nicht wahrnehmen. Am Ende wurden die Rheinländer Vizemeister der 2. Liga. Nach der Saison 2022/23 stiegen die Leverkusener Korbjäger überraschend in die ProB ab.
Der Behindertensport-Abteilung gehören etwa 330 Mitglieder an, womit sie zu den mitgliederstärksten Deutschlands zählt. Sie wurde 1950 gegründet und war nach dem Zweiten Weltkrieg als Abteilung der Versehrten gedacht. Es werden zahlreiche Sportarten angeboten, wobei Leichtathletik, Sitzvolleyball und Schwimmen die größten ausmachen. Leverkusener Sportler konnten auch bei internationalen Wettkämpfen, wie Welt- und Europameisterschaften, sowie Paralympics schon Medaillen gewinnen. Neben dem Leistungssport wird bei Bayer 04 Leverkusen jedoch auch Rehabilitations- und Breitensport im Behindertenbereich angeboten.
Im Behindertensport wird im Bereich Leichtathletik in fünf Kategorien unterteilt. Von den Amputierten/Les Autres, Spastikern, Rollstuhlfahrern, Blinden und geistig Behinderten liegt der Schwerpunkt in Leverkusen im Bereich der Amputierten. Das Training leiten Karl-Heinz Düe und die ehemalige Speerwerferin Steffi Nerius. In der Nachwuchsarbeit steht ihnen noch Helena Hermens als Trainerinnen zur Seite.
Sitzvolleyball wird in Leverkusen seit 40 Jahren gespielt. Die Mannschaft gilt als eine der stärksten in Deutschland und wird von Trainer Martin Blechschmidt betreut. Bislang konnte sie 16 deutsche Meistertitel und dreimal den Europapokal der Landesmeister gewinnen.
Die Nachwuchsabteilung im Bereich Behindertensport wurde im Jahr 2002 und 2009 mit dem Grünen Band der Commerzbank für ihre gute Arbeit ausgezeichnet. Der Verein veranstaltet regelmäßig Schnupperkurse in den Sportarten Leichtathletik, Schwimmen und Sitzvolleyball.
Insgesamt konnten Leverkusener Sportler bei Paralympics bisher 20 Gold-, zwölf Silber- und 18 Bronzemedaillen gewinnen. Erfolgreichste Athletin ist hierbei Britta Siegers, die zwischen 1984 und 1992 acht Gold-, vier Silbermedaillen gewann.