Skriv en fortsættelse til dette afsnit - Derefter gik Cielo til Sommer-OL 2008 i Beijing, hvor han slog Amerikas rekord i 4×100-meter freestyle-opgør med en tid på 47,91 sekunder. Selvom det brasilianske hold blev diskvalificeret, fik Cielos rekord lov til at stå. I 100-meters fri stil
, Cielo kvalificeret til finalen, tager ottende plads i varmen, med en tid på 48,07 sekunder. Cielo udmærkede sig i den tidlige del af den første semifinal, og gjorde sin tur på andenpladsen, på 22,62 sekunder, men sluttede som femte. I finalen vedtog Cielo en anden taktik, drejede tredje, langsommere (22,74 sekunder) end i semifinalen og sparede energi til finishen, hvilket resulterede i, at han vandt bronzemedaljen og brød den sydamerikanske rekord med en tid på 47,67 sekunder (bundet med den amerikanske svømmer Jason Lezak). Alain Bernard vandt guld og Eamon Sullivan vandt sølv. Kort efter at have vundet bronzemedaljen gav Cielo en erklæring til den brasilianske presse, hvor han kategorisk sagde: "Nu vil jeg vinde 50 meter". I 50-meter freestyle-begivenheden satte Cielo den olympiske rekord, som Alexander Popov havde sat i 1992 Sommer-OL, under opvarmningen (21.47 sekunder, svarende til Garrett Weber-Gale's Americas-rekord) og i semifinalen (21.34 sekunder). Han sænkede dette yderligere i finalen, hvor han igen slog den olympiske rekord med en tid på 21,30 sekunder, vandt guldmedaljen og manglede verdensrekorden med 0,02 sekunder. Med dette blev han den første brasilianske olympiske svømmekampion. Indtil Cielos olympiske guld, var det bedste brasilianske olympiske svømningsresultat blevet opnået af Ricardo Prado, der vandt sølvmedaljen i 400-meter individuel medley ved Sommer-OL i 1984, og tidligere Gustavo Borges, der vandt sølvmedaljen i 100-meter fri stil ved Sommer-OL i 1992 og i 200-meter fri stil ved Sommer-OL i 1996.