Escriba unha continuación para este parágrafo - Despois, Cielo foi aos Xogos Olímpicos de Verán de 2008 en Pequín, onde rompeu o récord de América nos 4×100 metros estilo libre, cun tempo de 47,91 segundos. Aínda que o equipo brasileiro foi descalificado, permitíronse que o récord de Cielo permanecese. Nos 100 metros estilo libre
, Cielo clasificouse para a final, ocupando o oitavo lugar nas eliminatorias, cun tempo de 48.07 segundos. Cielo destacou na primeira parte da primeira semifinal, facendo a súa volta no segundo lugar, con 22,62 segundos, pero terminando quinto. Na final, Cielo adoptou unha táctica diferente, virando terceiro, máis lento (22,74 segundos) que nas semifinais, e aforrando enerxía para a meta, o que resultou na súa vitoria da medalla de bronce e quebrando o récord sudamericano cun tempo de 47,67 segundos (parado co nadador estadounidense Jason Lezak). Alain Bernard gañou a medalla de ouro e Eamon Sullivan gañou a prata. Pouco despois de gañar a medalla de bronce, Cielo deu unha declaración á prensa brasileira, afirmando categóricamente: "Agora vou gañar os 50 metros". No evento de 50 metros estilo libre, Cielo estableceu o récord olímpico, que Alexander Popov establecera nos Xogos Olímpicos de Verán de 1992, durante as probas (21,47 segundos, igualado o récord de Garrett Weber-Gale de América) e nas semifinais (21,34 segundos). Baixou aínda máis na final, rompe o récord olímpico cun tempo de 21.30 segundos, gañando a medalla de ouro e perdendo o récord mundial por 0.02 segundos. Con isto, converteuse no primeiro brasileiro campión olímpico de natación. Ata o ouro olímpico de Cielo, o mellor resultado olímpico brasileiro de natación foi obtido por Ricardo Prado, que gañou a medalla de prata nos 400 metros individuais nos Xogos Olímpicos de Verán de 1984, e previamente Gustavo Borges, que gañou a medalla de prata nos 100 metros estilo libre nos Xogos Olímpicos de Verán de 1992 e nos 200 metros estilo libre nos Xogos Olímpicos de Verán de 1996.