Töltse ki a következő mondatot: Ezután Cielo részt vett a 2008-as Pekingi Nyári Olimpiai Játékokon, ahol 47,91 másodperccel megdöntötte az amerikai rekordot a 4×100 méteres szabad stílusú versenyen. Bár a brazil csapatot diszkvalifikálták, Cielo rekordja megmaradt. A
A 100 méteres szabad stílusban Cielo nyolcadik lett, 48,07 másodperc idővel. Cielo az első félidő elején kiválóan teljesített, 22.62 másodperc alatt második lett, de ötödik lett. A döntőben Cielo más taktikát alkalmazott, harmadik lett, lassabb (22,74 másodperc), mint a félfinálban, és energiát takarított a célra, ami bronzérmet nyert, és megdöntötte a dél-amerikai rekordot 47,67 másodperccel (az amerikai úszóval, Jason Lezakkal). Alain Bernard nyerte az aranyérmet, Eamon Sullivan az ezüstöt. Röviddel a bronzérem megnyerése után Cielo nyilatkozatot adott a brazil sajtónak, kategorikusan kijelentve: "Most megnyerem az 50 métert". Az 50 méteres szabad stílusú versenyen Cielo megtette az olimpiai rekordot, amit Alexander Popov állított fel az 1992-es nyári olimpiai játékokon, a heats során (21.47 másodperc, egyenlő Garrett Weber-Gale amerikai rekordjával) és a félfinálban (21.34 másodperc). A döntőben tovább csökkentette ezt a mértéket, újra megdöntve az olimpiai rekordot 21.30 másodperccel, aranyérmet nyert, és 0.02 másodperccel elmaradt a világrekordtól. Ezzel ő lett az első brazil olimpiai úszó bajnok. Cielo olimpiai aranyáig a legjobb brazil olimpiai úszási eredményt Ricardo Prado szerezte, aki az 1984-es nyári olimpiai játékokon a 400 méteres egyéni medley-ben ezüstérmet nyert, és korábban Gustavo Borges, aki az 1992-es nyári olimpiai játékokon a 100 méteres szabad stílusban és az 1996-os nyári olimpiai játékokon a 200 méteres szabad stílusban ezüstérmet nyert.