Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Paret, silvermedaljörer vid OS 2012 i London, behövde bara avsluta medaljen loppet på torsdag för att vinna guld, och kom i åttonde.
Nya Zeelands Jo Aleh och Polly Powrie vann silver och Camille Lecointre och Helene Defrance i Frankrike tog brons.
Storbritannien har nu vunnit 21 guldmedaljer i Rio och en sekund i segling efter Giles Scotts seger i herrarnas Finn.
Wales Mills, 28, och 36-årige Clark, som kommer från Essex, hade en 20-poängs ledning går in i medaljracet efter att ha vunnit tre gånger och aldrig slutar under åttonde i de 10 tävlingarna i den första serien.
Medaljloppet hade planerats äga rum på onsdag, men hade skjutits upp till torsdag på grund av brist på vind.
Bara en diskvalificering eller tekniska problem kunde ha förnekat Mills och Clark, fjärde i världen ranking, och de höll sig borta från problem som de var åttonde av 10.
Slovenien vann det sista loppet men det räckte inte att förtjäna dem en medalj. USA var i brons-medalj position tills ett sent misstag släppte ner dem till sista plats i medaljracet, och sjunde totalt.
"Jag kan inte tro det. Det har faktiskt varit den bästa känslan någonsin," Mills berättade BBC One.
"Vi har glömt allt om London. Vi är så stolta över att komma tillbaka efter det och vi har arbetat så hårt för att få uppgraderingen till guld. Tack till alla hemma för stödet.
"Det är allt vi någonsin drömt om och vi är så lyckliga."
Clark tillade: " Första gången jag seglade med Hannah visste jag att vi kunde göra något speciellt.
"Vi har varit tillsammans genom upp- och nedgångar och varit med varandra hela vägen."
Ian Walker, tvåfaldig olympisk silvermedaljör:
"Det är välförtjänt. Hannah Mills och Saskia Clark har arbetat outtröttligt sedan silver i London 2012.
"De har eliminerat alla sina svagheter och allt har samlats här i Rio.
"Jag tror inte att vi såg det bästa av Mills och Clark idag men de kommer inte att bry sig om det och jag bryr mig inte om det."
Storbritannien har varit den mest framgångsrika nationen i segling i tre av de senaste fyra olympiska spelen.
Det enda undantaget var London 2012, när Sir Ben Ainslie fjärde karriär OS-titeln var hans lands enda guld i spelen.
Ainslies Finnklass är ett område som Storbritannien har dominerat på senare tid, med sina tre guldmynt i på varandra följande spel mellan Scott i Rio och Iain Percy i Sydney 2000.
Mills och Clark framgång tar Storbritannien till toppen av Rio seglingsmedalj listan, genom Nick Dempsey silver i vindsurfing, med Nederländerna också vinna två guld.
Det betyder också att Storbritannien har vunnit 12 olympiska segelguldmedaljer under de senaste fyra spelen.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Prenumerera på BBC Sport nyhetsbrev för att få vårt tips på nyheter, funktioner och video skickas till din inkorg.
Storbritanniens Hannah Mills och Saskia Clark har vunnit guld i kvinnors 470 segling händelse vid 2016 Rio OS.