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在伍绍祖刚刚进入国家体委的那段时间里，中国体育正陷入1988年奥运会惨败所导致的低谷之中，受到来自舆论的质疑和指责。在这种背景下，伍绍祖要求坚决实施“科技兴体”的战略方针。结果在1990年亚运会上，中国代表团取得了成功。接下来在1992年巴塞罗那(微博 数据) 奥运会，中国代表团的金牌数从四年前的5枚跃升到16枚。
除了着眼于竞技成绩的提高之外，伍绍祖还见证了中国体育在体制方面的积极变革。1998年3月，国务院全体会议决定原国家体委改组为国家体育总局，列入国务院直属机构。接下来在同年4月6日，国家体育总局挂牌，伍绍祖任国家体育总局局长、体育总会会长、党组书记。
除了在国家体委和国家体育总局先后任职之外，伍绍祖还曾兼任中国奥委会主席。1999年4月7日，伍绍祖代表中国奥委会，正式向国际奥委会主席萨马兰奇递交了北京市申办2008年夏季奥运会的申办报告。接下来在同年9月6日，北京2008年奥运会申办委员会成立，伍绍祖出任执行主席。
2000年5月，伍绍祖调任中共中央直属机关工委副书记，逐渐淡出体育管理工作。
在伍绍祖的积极参与之下，中国体育在1995年颁布了被称为“一法两纲”的一系列法规文件，其中包括《体育法》和《奥运争光计划纲要》、《全民健身计划纲要》。他强调“一法两纲”不只是着眼于金牌，而是着眼于竞技体育的全面发展和与全民健身计划的连接。
