Cielo Filho pályafutását szülővárosában kezdte, majd 16 évesen a Sao Paoloban található Esporte Clube Pinheiros egyesületben folytatta, az egykori brazil úszóbajnok Gustavo Borges irányítása alatt.

A melbourne-i világbajnokságon hatodik illetve a negyedik helyen végzett 50 és 100 méter gyorson. 2008-ban edzőt váltott: a brazil olimpiai bronzérmes Fernando Scherer irányította a felkészülését. Pekingben 50 méter gyorson olimpiai aranyérmet, ugyanott 100 méter gyorson olimpiai bronzérmet nyert. 2009-ben Rómában mindkét fő számában, az 50 és a 100 méter gyorson is a dobogó legfelső fokára állhatott.

2011-ben Sanghajban 23.10 másodperces időeredménnyel megnyerte a férfi 50 méteres pillangóúszást,  majd az 50 méteres gyorsúszás döntőjében is diadalmaskodott (21.52). A 2013-as barcelonai világbajnokságon 50 méter pillangón és 50 méter gyorson is megvédte címét. Jelenleg 50 és 100 méteres gyorsúszásban is ő tartja a világcsúcsot.