במבחנים האמריקאים לאולימפיאדת לוס אנג'לס (1984) שנערכו ביוני1984, קבע דיקארלו במשחה ל-400 מטר חופשי שיא אמריקאי חדש של 3:51.03 דקות, שיפור לשיאו בן ה-7 שנים של בריאן גודל (3:51.56 דקות)[1]. במשחקים עצמם הוא זכה בשתי מדליות, זהב וכסף. בהיעדרו של שיאן העולם, אלוף העולם והאלוף האולימפי ולדימיר סלניקוב מברית המועצות (3:48.23 דקות), הוא זכה במדליית זהב במשחה ל-400 מטר חופשי בשיא אולימפי חדש של 3:51.23 דקות, שיפור לשיאו האולימפי של סלניקוב (3:51.31 דקות), לפני בן ארצו ג'ון מיקאנן (3:51.49 דקות) וג'סטין למברג מאוסטרליה (3:51.79 דקות). מספר דקות לאחר משחה הגמר, תומאס פרנר ממערב גרמניה, המתחרה העיקרי שלו שלא הגיע למשחה הגמר לאחר ששמר כוחות בשלב המוקדמות, שיפר את שיאו האולימפי במסגרת גמר ב', בתוצאה של 3:50.91 דקות[2]. יומיים לאחר מכן, הוא זכה במדליית כסף במשחה ל-1500 מטר חופשי בתוצאה של 15:10.59 דקות, אחרי בן ארצו מייק אובריין (15:05.20 דקות) ולפני שטפן פייפר ממערב גרמניה (15:12.11 דקות).
^בתחרויות השחייה נערכו שני שלבים, מוקדמות וגמר ולכן הוחלט ששחיינים שסיימו במקומות 9–16 ישתתפו במשחה גמר ב', הזדמנות נוספת לשיפור שיאים אישיים בלבד ולא יוכלו לקבל מדליות גם אם התוצאות שיקבעו תהינה מהירות מאלה של השחיינים ששחו במשחה גמר א'.
