Klæbo osallistui ensimmäisiin olympialaisiinsa 2018 Pyeongchangin talviolympialaisissa. Ennen olympialaisia hän voitti yhdeksän kertaa vuoden 2017-18 MM-kisoissa. Hän debytoi olympialaisissa 10. sijalla miesten hiihtokilpailussa. 13. helmikuuta 2018 hänestä tuli olympialaismestari voitettuaan miesten sprintin.
- Mitä? Tämä voitto teki hänestä nuorin mies, joka on koskaan voittanut olympiakilpailun hiihtämisessä. Hän hiihti viimeisen askeleen Norjan joukkueessa, joka voitti sekä 4 × 10 kilometrin risteilyn että miesten joukkuejuoksun. Norjalaiset tiedotusvälineet kutsuivat olympiakurssilla olevaa jyrkkää mäkeä "Klæbo-bakkeniksi" ("Klæbon kukkulaksi"), koska Klæbo oli ohittanut kilpailijansa monesti tällä kiipeilyllä koko olympialaisten ajan. Kolmen kultamitalin ansiosta hän sopi ranskalaisen biatlonisti Martin Fourcaden kanssa useimmissa olympialaisissa voitetussa kultamitalissa.