Skryf 'n voortsetting vir hierdie paragraaf - Daarna het Cielo na die 2008 Somer Olimpiese Spele in Beijing gegaan, waar hy die Amerikaanse rekord gebreek het in die 4×100-meter vryslag, met 'n tyd van 47.91 sekondes. Hoewel die Brasiliaanse span gediskwalifiseer is, kon Cielo se rekord gehandhaaf word. In die 100 meter vryslag
, Cielo kwalifiseer vir die eindstryd, en neem die agtste plek in die hitte, met 'n tyd van 48.07 sekondes. Cielo het in die vroeë deel van die eerste halfeindstryd uitstekend gevaar, en sy beurt in die tweede plek gemaak, met 22.62 sekondes, maar vyfde geëindig. In die eindstryd het Cielo 'n ander taktiek aangeneem, wat derde was, stadiger (22,74 sekondes) as in die halfeindstryd, en energie bespaar vir die eindstreep, wat daartoe gelei het dat hy die bronsmedalje gewen het en die Suid-Amerikaanse rekord met 'n tyd van 47,67 sekondes gebreek het (gebind met die Amerikaanse swemmer Jason Lezak). Alain Bernard het die goue medalje gewen en Eamon Sullivan die silwer. Kort nadat sy die bronsmedalje gewen het, het Cielo 'n verklaring aan die Brasiliaanse pers gegee en kategories gesê: "Nou gaan ek die 50m wen". In die 50-meter vryslagwedstryd het Cielo die Olimpiese rekord, wat Alexander Popov in die 1992 Somer Olimpiese Spele opgestel het, tydens die warmte (21.47 sekondes, gelyk aan Garrett Weber-Gale se Amerika-rekord) en in die halfeindronde (21.34 sekondes). Hy het dit in die eindstryd verder verlaag en weer die Olimpiese rekord met 'n tyd van 21.30 sekondes gebreek, die goue medalje gewen en die wêreldrekord met 0.02 sekondes gemis. Hiermee het hy die eerste Brasiliaanse Olimpiese swemkampioen geword. Tot Cielo se Olimpiese goud, is die beste Brasiliaanse Olimpiese swemresultaat behaal deur Ricardo Prado, wat die silwermedalje in die 400-meter individuele medley by die 1984 Somer Olimpiese Spele gewen het, en voorheen Gustavo Borges, wat die silwermedalje in die 100-meter vryslag by die 1992 Somer Olimpiese Spele en in die 200-meter vryslag by die 1996 Somer Olimpiese Spele gewen het.