Nascido em Santa Bárbara D’Oeste, Cesar Cielo começou a nadar ainda criança pelo Esporte Clube Barbarense. Depois passou pelo Clube de Campo Piracicaba e após destacar-se nas categorias de base da natação paulista, chegou ao Esporte Clube Pinheiros em 2003 aos 16 anos. Na época passou a dividir raia nos treinamentos com seu maior ídolo: Gustavo Borges. Sob o comando de Alberto Silva, o Albertinho, começava ali uma carreira de sucesso nas piscinas.

No Pinheiros, Cielo viveu a melhor fase da carreira chegando a seleção principal e nadando seus primeiros eventos internacionais com destaque para o Campeonato Mundial de piscina curta de Indianápolis-2004, quando integrou a equipe do revezamento 4x100m livre que terminou com a medalha de prata. Em 2006 mudou-se para os Estados Unidos onde foi treinar e estudar na Universidade de Auburn sob o comando do australiano Brett Hawke. Por lá foi campeão universitário e recordista do tradicional NCAA nas provas de 50 e 100 livre.

Entre 2007 e 2014 tornou-se o melhor velocista do mundo conquistando medalhas em Jogos Olímpicos, Campeonatos Mundiais de longa e curta, Jogos Pan-Americanos e Campeonato Pan-Pacífico, além de estabelecer os recordes mundiais nos 50m (20s91) e 100m livre (46s91) em piscina longa. Essas marcas continuam vigentes até hoje. Durante este período foi considerado como imbatível, principalmente nos 50m livre, sendo derrotado em pouquíssimas ocasiões. Em 2011 testou positivo para furosemida pouco antes do Campeonato Mundial, mas foi apenas advertido.

 

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Cielo é o maior nadador da história do Brasil e o primeiro a conquistar uma medalha de ouro olímpica nos 50m livre nos Jogos de Pequim-2008. Na grande final estabeleceu ainda o recorde olímpico com o tempo de 21s30, marca que ainda pertence a ele. Em 2015 sofreu uma lesão durante o Campeonato Mundial de Kazan e no Troféu Maria Lenk de 2016 falhou na tentativa de se classificar para os Jogos Olímpicos do Rio-2016. Após esse episódio resolveu dar um tempo na carreira.

Em 2017 retornou ao Esporte Clube Pinheiros e voltou as competições. Conseguiu índice para nadar o Campeonato Mundial de Budapeste e integrou o revezamento 4x100m livre que conquistou a medalha de prata, com novo recorde sul-americano. No mesmo evento chegou ainda a final dos 50m livre. No início de 2018 tornou-se sócio da marca de material esportivo Fiore e diminuiu sua rotina de treino, conciliando a atividade de atleta e empresário, além de palestrante.

No fim do mesmo ano disputou o Campeonato Mundial de piscina curta de Hangzhou e conquistou duas medalhas de bronze com os revezamentos 4x50m medley e 4x100m livre, tornando-se o maior medalhista brasileiro de esportes olímpicos em Mundiais. Em 2019 anunciou que seguirá treinando e competindo, agora por Itajaí, visando os Jogos Olímpicos de Tóquio. Cielo também segue promovendo clínicas e palestras pelo Brasil e pelo mundo.