Foi o primeiro nadador brasileiro a ser campeão olímpico, após conquistar o ouro nos 50 metros livre nos Jogos Olímpicos de 2008 em Pequim, e o atleta brasileiro mais medalhado em Campeonatos Mundiais de qualquer esporte, com 19 medalhas. Aparece, ainda, na segunda posição entre os nadadores brasileiros com maior número de medalhas conquistadas em campeonatos internacionais (33 no total) como Jogos Olímpicos, Campeonatos Mundiais de Piscinas Longa e Curta, Jogos Pan Americanos e Pan Pacíficos (atrás apenas de Gustavo Borges, que tem 35) e o maior medalhista brasileiro em mundiais de piscina curta, com 11 medalhas.
Além da medalha de ouro nos Jogos Olímpicos de 2008 em Pequim, Cielo também conquistou mais duas medalhas em Olimpíadas, ambas de bronze, sendo uma nos 100 metros livre nos Jogos Olímpicos de 2008 e outra nos 50 metros livre nos Jogos Olímpicos de 2012. Foi ainda campeão mundial dos 100 metros livre em Roma 2009, e tricampeão mundial dos 50 metros livre em Roma 2009, Xangai 2011 e em Barcelona 2013, recordista mundial de ambas as provas. Ganhou três medalhas de ouro e uma medalha de prata nos Jogos Pan-Americanos de 2007 no Rio de Janeiro.
Recordista mundial dos 50 e 100 metros livre em piscina olímpica e 4x50 metros medley em piscina curta, também detém os recordes brasileiro e sul-americano nos 4x100 metros livre e 4x100 metros medley em piscina olímpica, dos revezamentos 4x50 metros livre em piscina curta (25 metros) e longa (50 metros), e dos 4x200 metros livre em piscina curta. É medalha de ouro nos 50 metros e 100 metros livre do Grand Prix de Missouri, em 2008.
Morou na cidade de Auburn, nos Estados Unidos, estudando e treinando na Universidade de Auburn. Foi considerado pela Revista Época um dos 100 brasileiros mais influentes do ano de 2009. Eleito melhor atleta ibero-americano do ano de 2009 e melhor atleta da década pela revista Sport Life. Seu desempenho nas piscinas também o vem levando a ser considerado, por parte da imprensa e de comentaristas esportivos, como o maior nadador da história da natação brasileira