Setelah itu, Cielo pergi ke Olimpiade Musim Panas 2008 di Beijing, di mana ia memecahkan rekor Amerika dalam 4 × 100 meter gaya bebas, dengan waktu 47,91 detik. Meskipun tim Brasil didiskualifikasi, catatan Cielo diizinkan untuk berdiri. Dalam 100 meter gaya bebas
, Cielo lolos ke final, menempati posisi kedelapan di babak penyisihan, dengan waktu 48,07 detik. Cielo unggul di bagian awal semifinal pertama, membuat gilirannya di tempat kedua, dengan 22,62 detik, tetapi finis kelima. Di final, Cielo mengadopsi taktik yang berbeda, berbalik ketiga, lebih lambat (22,74 detik) daripada di semifinal, dan menghemat energi untuk finish, yang mengakibatkan dia memenangkan medali perunggu dan memecahkan rekor Amerika Selatan dengan waktu 47,67 detik (diikat dengan perenang Amerika Jason Lezak). Alain Bernard memenangkan medali emas dan Eamon Sullivan memenangkan perak. Tak lama setelah memenangkan medali perunggu, Cielo memberikan pernyataan kepada pers Brasil, dengan tegas menyatakan: "Sekarang saya akan memenangkan 50m". Dalam acara 50 meter gaya bebas, Cielo menetapkan rekor Olimpiade, yang Alexander Popov telah ditetapkan di Olimpiade Musim Panas 1992, selama pemanasan (21.47 detik, menyamai rekor Garrett Weber-Gale Amerika) dan di semifinal (21.34 detik). Dia menurunkan ini lebih jauh di final, lagi-lagi memecahkan rekor Olimpiade dengan waktu 21,30 detik, memenangkan medali emas dan kehilangan rekor dunia dengan 0,02 detik. Dengan ini, ia menjadi juara renang Olimpiade Brasil pertama. Sampai emas Olimpiade Cielo, hasil renang Olimpiade Brasil terbaik telah diperoleh oleh Ricardo Prado, yang memenangkan medali perak dalam 400 meter medali individual di Olimpiade Musim Panas 1984, dan sebelumnya Gustavo Borges, yang memenangkan medali perak dalam 100 meter gaya bebas di Olimpiade Musim Panas 1992 dan dalam 200 meter gaya bebas di Olimpiade Musim Panas 1996.