Pada Olimpiade Musim Panas 2012 di London, Cielo menempati posisi keenam dalam lari bebas 100 meter.
, dengan waktu 47,92 detik. Emas diraih Nathan Adrian (47,52 detik), diikuti oleh James Magnussen (47,53 detik) dan Brent Hayden (47,80 detik). Pada tanda 50 meter, Cielo memiliki split tercepat dengan waktu 22,60 detik. Dalam gaya bebas 50 meter, di mana Cielo adalah favorit untuk memenangkan emas, ia menempati peringkat pertama di semifinal, terikat dengan Cullen Jones, dengan waktu 21,54 detik. Namun di final, ia menyelesaikan dengan waktu yang lebih buruk daripada di babak semifinal, tetapi berhasil mendapatkan medali Olimpiade ketiga, perunggu, dengan waktu 21,59 detik. Pemenangnya adalah orang Prancis Florent Manaudou dengan waktu 21,34 detik. Rekor Olimpiade Cielo 21,30 detik yang ditetapkan pada tahun 2008 masih dipegang.