林匹克运动会中，庞伟以预赛第一的成绩晋级决赛，最终夺得金牌，这是中国射击队在2008年北京奥运会上夺得的首枚奖牌，也是中国代表团在北京奥运会取得的第二枚金牌。
伦敦奥运.2012年，庞伟代表中国出战英国伦敦举行的奥林匹克运动会射击比赛男子50米手枪赛事。预赛阶段，庞伟以第二名身份晋级决赛。但在随后进行的决赛上，庞伟发挥失常，最后仅以683.7环的总成绩结束比赛，与奖牌无缘。
里约热内卢奥运.2016年8月，庞伟代表中国出战巴西里约热内卢举行的奥林匹克运动会