Po to Cielo dalyvavo 2008 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Pekine, kur jis sulaužė Amerikos rekordą 4 × 100 metrų laisvosios stiliaus varžybose, uždirbdamas 47,91 sekundę. Nors Brazilijos komanda buvo diskvalifikuota, Cielo rekordas liko galioti. 100 metrų laisvu stiliumi
, Cielo kvalifikaciją į finalą, užimdamas aštuntąją vietą, su laiku 48,07 sekundės. Cielo pirmajame pusfinalo etape pasižymėjo, užėmė antrą vietą su 22,62 sekundėmis, tačiau baigė penktas. Finale Cielo taikė kitokią taktiką, pasuko trečią, lėčiau (22,74 sekundės), nei pusfinalyje, ir sutaupė energijos finišui, dėl kurio jis laimėjo bronzinį medalį ir sulaužė Pietų Amerikos rekordą 47,67 sekundės laiku (susieti su amerikiečiu plaukikliu Jason Lezak). Alainas Bernardas laimėjo auksą, o Eamonas Sullivanas - sidabrą. Netrukus po to, kai laimėjo bronzinį medalią, Cielo Brazilijos spaudai paskelbė pareiškimą, kuriame kategoriškai pareiškė: "Dabar aš laimėsiu 50 metrų". 50 metrų laisvosios stiliaus lenktynėse Cielo pasiekė olimpinį rekordą, kurį Aleksandras Popovas pasiekė 1992 m. vasaros olimpinėse žaidynėse, varžybų metu (21,47 sekundės, prilyginus Garrett Weber-Gale'o Amerikos rekordui) ir pusfinalyje (21,34 sekundės). Finale jis dar labiau sumažino šį rodiklį, vėl pažeisdamas olimpinį rekordą ir laimėjęs auksą medaliu, uždirbęs 21,30 sekundės, o pasaulio rekordui praleido 0,02 sekundės. Taip jis tapo pirmuoju Brazilijos olimpiniu plaukimo čempionu. Iki Cielo olimpinio aukso geriausią Brazilijos olimpinio plaukimo rezultatą pasiekė Ricardo Prado, kuris laimėjo sidabro medalį 400 metrų individualų medley 1984 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse, o anksčiau Gustavo Borgesas, kuris laimėjo sidabro medalį 100 metrų laisvosios stiliaus 1992 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse ir 200 metrų laisvosios stiliaus 1996 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse.