Klæbo va participar en els seus primers Jocs Olímpics en els Jocs Olímpics d'Hivern de 2018 a PyeongChang, Corea del Sud. Abans dels Jocs Olímpics, va tenir nou victòries a la Copa del Món 2017-18. Va fer el seu debut olímpic acabant 10è en l'esquiatló masculí. El 13 de febrer de 2018 es va convertir en campió olímpic després de guanyar el sprint masculí.
- No. Aquesta victòria el va convertir en l'home més jove en guanyar un esdeveniment olímpic en esquí de fondó. Va esquiar l'última etapa en els equips noruecs que van guanyar tant el releu de 4 × 10 quilòmetres com el sprint d'equip masculí. Un turó abrupte en el camp olímpic va ser anomenat "Klæbo-bakken" ("turó de Klæbo") pels mitjans de comunicació noruecs després que Klæbo superés els seus competidors diverses vegades en aquesta pujada durant els jocs. Amb tres medalles d'or, va empatar amb el biatleta francès Martin Fourcade en la majoria de medalles d'or guanyades en els jocs.