Täytä seuraava lause: Cielo meni sen jälkeen vuoden 2008 kesäolympialaisiin Pekingiin, jossa hän rikkoi Amerikan ennätyksen 4×100 metrin vapaan tyylin erässä 47.91 sekunnin ajalla. Vaikka brasilialaisjoukkue hylättiin, Cielon ennätys saatiin säilyttää. Tässä
100 metrin vapaasti, Cielo pääsi finaaliin, ottamalla kahdeksannen sijan, aika 48.07 sekuntia. Cielo oli erinomainen ensimmäisessä semifinaalissa, kun hän tuli toiseksi 22.62 sekunnissa, mutta sijoittui viidenneksi. Finaalissa Cielo käytti erilaista taktiikkaa, kääntyessään kolmanneksi, hitaammin (22,74 sekuntia) kuin puolifinaalissa, ja säästi energiaa maaliin, mikä johti hänen voittamiseen pronssimitalin ja rikkoen Etelä-Amerikan ennätyksen ajassa 47,67 sekuntia (sovittuna amerikkalaisen uimarin Jason Lezakin kanssa). Alain Bernard voitti kultamitalin ja Eamon Sullivan hopeaa. Pian pronssimitalin voittamisen jälkeen Cielo antoi lausunnon brasilialaiselle lehdistölle, jossa hän sanoi kategorisesti: "Nyt aion voittaa 50 metrin". 50 metrin freestyle-kilpailussa Cielo asetti olympiakilpailun ennätyksen, jonka Alexander Popov oli asettanut vuoden 1992 kesäolympialaisissa, varhaisjoukkueessa (21,47 sekuntia, mikä vastaa Garrett Weber-Galen Amerikan ennätystä) ja puolifinaalissa (21,34 sekuntia). Hän laski tämän vielä enemmän finaalissa, rikkoen jälleen olympiaennätyksen aikaan 21,30 sekuntia, voittaen kultamitalin ja jäämällä maailmanennätyksen alle 0,02 sekuntia. Tämän ansiosta hänestä tuli ensimmäinen brasilialainen olympiakilpailun uima- mestari. Ennen Cielon olympialaisen kultaa parhaan brasilialaisen olympialaisen uinti tuloksen oli saavuttanut Ricardo Prado, joka voitti hopeamitalin 400 metrin yksittäisessä sekoituksessa vuoden 1984 kesäolympialaisissa, ja aikaisemmin Gustavo Borges, joka voitti hopeamitalin 100 metrin vapaasti olympialaisissa vuonna 1992 ja 200 metrin vapaasti olympialaisissa vuonna 1996.