Klæbo deltok i sitt første vinter-OL da han representerte Norge under Vinter-OL 2018 i Pyeongchang. Han gikk inn til tiendeplass på åpningsdistansen 30 km skiathlon. 13. februar ble han olympisk mester da han vant gull på sprint klassisk, etter et voldsomt rykk i den siste bakken. Han ble dermed tidenes yngste mannlige utøver (21 år og 114 dager) til å vinne et individuelt olympisk gull i langrenn. Han deltok også på Norges stafettlag som vant 4 × 10 km stafett, der han gikk siste etappe, og han vant også gull på lagsprinten sammen med Martin Johnsrud Sundby.