Ce plongeur chinois est exceptionnel dans sa pratique du plongeon de haut vol à la plateforme de 10 m qui lui a valut de remporter 4 médailles d’or olympique. Il a également remporté des médailles d’or en plongeon aux Championnats du monde et aux Coupes du monde. Cao est considéré comme le meilleur plongeur masculin de tous les temps.
Il faut dire qu’il a commencé à plonger dès l’âge de cinq ans. Sa mère voulait qu’il apprenne la discipline. Il lui a rendu son projet au centuple.

Sa devise de vie est « Suis ton propre chemin et vois ton propre paysage. Sois calme pour les hauts et les bas de la vie. »

Cao a participé aux Jeux olympiques d’été de Londres 2012 remportant la médaille d’or à la plateforme de 10 m.

Aux Jeux olympiques d’été de Rio 2016, Cao a mené toute la compétition dans l’épreuve de tremplin 3 m hommes et a remporté l’or avec un score de 547,60. Il a également remporté le bronze au plongeon synchronisé au tremplin de 3 m avec

Aux Jeux de Tokyo 2020, Cao et son coéquipier Aisen Chen ont remporté l’argent dans la plate-forme synchronisée masculine de 10 m. avant de s’imposer en individuel.

A Paris 2024, il a remporté la médaille d’or à l’épreuve de 10 m de haut vol. Avec cette victoire, la Chine a réussi l’exploit de remporter les 8 médailles d’or mise en jeu dans cette discipline. Cao est devenu le premier athlète depuis Greg Louganis à remporter deux médailles d’or consécutives dans cette épreuve.