Bei den Olympischen Spielen 1992 in Barcelona gingen sie lediglich auf der 500-Meter-Strecke nochmals gemeinsam an den Start. Erneut zogen sie direkt ins Halbfinale ein und kamen dort in ihrem Lauf unter neun Konkurrenten nicht über den achten Platz hinaus. Deutlich erfolgreicher verlief für Kolehmainen der Wettkampf im Einer-Kajak, den er erstmals bei Olympischen Spielen bestritt. Über 500 Meter war zunächst mit 1:41,13 Minuten der Schnellste seines Vorlaufs, ehe er auch im Halbfinale mit 1:41,52 Minuten Erster wurde. Den Finallauf beendete er schließlich nach einer Rennzeit von 1:40,34 Minuten mit einem Vorsprung von 0,3 Sekunden auf den Ungarn Zsolt Gyulay und von 0,37 Sekunden auf Knut Holmann aus Norwegen auf dem ersten Platz, womit er Olympiasieger wurde. Ein Jahr später gelang Kolehmainen bei den Weltmeisterschaften in Kopenhagen in derselben Disziplin ebenfalls der Titelgewinn.