Klæbo osales oma esimesel olümpiamängul 2018. aasta Pyeongchangi talveolümpiamängudel Lõuna-Koreas. Enne olümpiamänge võitis ta üheksa võitu 2017.-2018. aasta maailmameistrivõistlustel. Ta tegi oma olümpiamängude debüüdi, lõpetades kümnendana meeste suusatamisvõistlusel. 13. veebruaril 2018 sai temast olümpiavõitja, olles võitnud meeste sprinti.
- Jah. See võit tegi temast kõige noorema mees, kes on kunagi võitnud olümpiavõistluse suusatamises. Ta suus viimasel etapil Norra meeskonnas, mis võitis nii 4 × 10 kilomeetri relee kui ka meeste meeskonna sprinti. Norra meedia nimetas olümpiaväljakul asuvast järskelt mäest "Klæbo-bakken" ("Klæbo mägi"), sest Klæbo oli oma konkurentide ees mitu korda mööda mäge tõusnud. Kolme kuldmedaliga võrdles ta Prantsuse biatlonisti Martin Fourcade'iga, kes võitis mängudel kõige rohkem kuldmedale.