A 2012-es londoni nyári olimpián a Cielo a 6. helyen végzett a
A 100 méteres szabadon 47,92 másodperc idővel. Az aranyat Nathan Adrian (47.52 másodperc), majd James Magnussen (47.53 másodperc) és Brent Hayden (47.80 másodperc) nyerte. Az 50 méteres pályán Cielo volt a leggyorsabb, 22,60 másodperccel. Az 50 méteres szabad stílusban, ahol Cielo volt a kedvenc, hogy aranyat nyerjen, az elődöntőben első lett, Cullen Jones-szal egyenlő idővel, 21,54 másodperccel. De a döntőben rosszabb idővel végzett, mint a félfinális körben, de sikerült megszereznie harmadik olimpiai érmét, egy bronzérmet, 21,59 másodperccel. A győztes a francia Florent Manaudou volt, 21,34 másodperccel. Cielo olimpiai rekordja, 21,30 másodperc, amit 2008-ban állított fel, még mindig fennáll.