Cancellara ottiene la sua prima vittoria del 2008 nella seconda edizione della Monte Paschi Eroica, battendo in una volata a due Alessandro Ballan sull'arrivo di Piazza del Campo. Dieci giorni dopo, il 18 marzo, si aggiudica la classifica finale della Tirreno-Adriatico mentre il 22 marzo, con uno scatto in solitaria a due chilometri dal traguardo, fa sua la novantanovesima edizione della Milano-Sanremo. Dopo essersi classificato secondo, alle spalle di Tom Boonen, nella Parigi-Roubaix, in giugno vince due tappe in linea al Tour de Suisse, una a Lyss e una a Berna. Nell'agosto dello stesso anno partecipa ai Giochi olimpici di Pechino conseguendo due medaglie, una d'oro nella cronometro e una di bronzo nella prova in linea, diventata poi d'argento il 17 novembre 2009 a causa della squalifica per doping inflitta dal Commissione Disciplinare del CIO al secondo classificato Davide Rebellin, risultato positivo al CERA. In settembre non è presente ai mondiali di Varese.