Pärast seda läks Cielo 2008. aasta Pekingi suveolümpiamängudele, kus ta lõi Ameerika rekordi 4 × 100 meetri vaba stiili soojenduses, mis kestis 47,91 sekundit. Kuigi Brasiilia meeskond diskvalifitseeriti, lubati Cielo rekord püsida. 100 meetri vabas stiilis
, Cielo kvalifitseerus finaali, võites kaheksanda koha, ajaga 48,07 sekundit. Cielo oli hea esimeses poolfinaalis, olles 22.62 sekundiga teisel kohal, kuid lõpetas viiendana. Finaalis kasutas Cielo teistsugust taktikat, pöörates kolmandaks, aeglasemalt (22,74 sekundit) kui poolfinaalis ja säästes energiat finišiks, mille tulemusel võitis ta pronssmedali ja murdis Lõuna-Ameerika rekordi ajaga 47,67 sekundit (võrdus Ameerika ujujaga Jason Lezak). Alain Bernard võitis kuldmedali ja Eamon Sullivan hõbeda. Varsti pärast pronssmedali võitmist andis Cielo Brasiilia ajakirjandusele avalduse, kus ta sõnas: "Nüüd ma võidan 50 meetri". 50 meetri vabasõidu võistlusel seadis Cielo olümpiamärgi, mille Alexander Popov oli seadnud 1992. aasta suveolümpiamängudel, soojenduste ajal (21,47 sekundit, mis võrdus Garrett Weber-Gale'i Ameerika rekord) ja poolfinaalis (21,34 sekundit). Ta langes finaalis veelgi, purudes taas olümpiamängija rekordi 21,30 sekundiga, võites kuldmedali ja kaotades maailmarekordi 0,02 sekundi võrra. Sellega sai temast esimene Brasiilia olümpiamängija. Kuni Cielo olümpiamängude kulla saavutamiseni oli parimaid Brasiilia olümpiamängu tulemusi saavutanud Ricardo Prado, kes võitis 1984. aasta suveolümpiamängudel hõbedamedaali 400 meetri individuaalses medley's, ja varem Gustavo Borges, kes võitis 1992. aasta suveolümpiamängudel hõbedamedaali 100 meetri vabal ja 1996. aasta suveolümpiamängudel 200 meetri vabal.