La Jocurile Olimpice de Vară din 2012 de la Londra, Cielo a terminat pe locul 6 la 100 de metri stil liber.
, cu un timp de 47,92 secunde. Aurul a mers la Nathan Adrian (47.52 secunde), urmat de James Magnussen (47.53 secunde) și Brent Hayden (47.80 secunde). La 50 de metri, Cielo a avut cea mai rapidă separare cu un timp de 22,60 secunde. La 50 de metri stil liber, unde Cielo a fost favoritul pentru a câștiga aurul, el s-a clasat pe primul loc în semifinala, la egalitate cu Cullen Jones, cu un timp de 21,54 secunde. Dar în finală, el a terminat cu un timp mai rău decât în semifinala, dar a reușit să câștige a treia medalie olimpică, un bronz, cu un timp de 21,59 secunde. Câștigătorul a fost francezul Florent Manaudou cu un timp de 21,34 secunde. Recordul olimpic al lui Cielo de 21,30 secunde stabilit în 2008 este încă deținut.