Viết tiếp cho đoạn này - Klæbo tham gia Thế vận hội đầu tiên của mình tại Thế vận hội Mùa đông 2018 tại PyeongChang, Hàn Quốc. Trước Thế vận hội, anh đã có chín chiến thắng tại World Cup 2017/18. Ông đã ra mắt tại Thế vận hội bằng cách kết thúc thứ 10 trong sự kiện trượt tuyết nam. Vào ngày 13 tháng 2 năm 2018, anh trở thành nhà vô địch Olympic sau khi giành chiến thắng trong cuộc đua chạy nước rút nam
. Chiến thắng này đã khiến anh trở thành người đàn ông trẻ nhất từng giành chiến thắng một sự kiện Olympic trong trượt tuyết xuyên quốc gia. Anh trượt tuyết ở chặng cuối cùng trong các đội Na Uy đã giành chiến thắng cả trong cuộc đua tiếp sức 4 × 10 km và chạy nước rút nhóm nam. Một ngọn đồi dốc trên sân vận động Olympic đã được truyền thông Na Uy gọi là "Klæbo-bakken" ("Klæbo đồi") sau khi Klæbo vượt qua các đối thủ cạnh tranh của mình nhiều lần trong việc leo lên này trong suốt các trò chơi. Với ba huy chương vàng, ông đã đồng với vận động viên biathlon người Pháp Martin Fourcade về số huy chương vàng nhất giành được trong các trò chơi.