Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Doull emulerade kollegan Welshman Geraint Thomas, som vann på 2008 och 2012 OS, genom att hjälpa Storbritannien vinna laget jakt guld i världsrekord tid.
23-åringen gick med i rekordbrytande Sir Bradley Wiggins, Steven Burke och Ed Clancy för att slå världsmästarna.
"Det var bara surrealistiskt, det känns drömlikt", sade Cardiff ryttaren.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Vi har varit i sådana situationer tidigare när vi har varit så nära och har förlorat så att klara av det nu är otroligt."
Han hade tidigare vunnit silvermedaljer vid världsmästerskapet 2015 och 2016 - i år till Australiens lag - men Doull tjänade OS-inlösen för att lägga till de fyra walesiska silvermedaljörerna i Rio.
"Jag har drömt om det här ögonblicket så länge", tillade Doull.
"Det är det som får dig ur sängen på morgonen. Jag har föreställt mig att gå över gränsen först och vinna OS och äntligen vara här och göra det, det är bara surrealistiskt. Det är en kulmen på fyra års hårt arbete."
Swimmer Jazz Carlin, roddare Victoria Thornley och rugby sju spelare Sam Cross och James Davies hade redan njutit podium finish innan Doull säkrade Wales sjunde guld i de senaste tre OS.
Wales hade inte vunnit en olympisk titel på 36 år när Nicole Cooke stormade till kvinnors road race guld 2008 - den första walesiska cykelmedalj någonsin på en OS.
Men sedan Cookes seger i Peking har Wales vunnit ytterligare tre cykelguldmedaljer - och skulle kunna vinna en femte på lördagen när Elinor Barker kommer att hjälpa det brittiska världsrekordet hålla kvinnor bjuda på lagjakt guld.
Doull - som började cykla på Maindy Fliers klubb i Cardiff som Thomas och Barker - hade hjälpt Storbritannien laget att sänka världsrekordet i sin värmeförstöring av Nya Zeeland.
Men Team GB var snabbt efter i fredagens final som Australien leds av 0,7 sekunder på halvvägs mark, innan GB rullade in dem och sedan drog bort i den sista 500m för att vinna 4 km loppet med 0.83 sekunder - i en rekordtid på tre minuter, 50.265 sekunder.
Doulls lagkamrat Wiggins blev den första Briton att vinna åtta olympiska medaljer - fem guld, ett silver och två brons - som GB vann en tredje på varandra följande lag jakt OS-titel.
"Det ger dig ett sådant självförtroende....du har Brad på min högra sida bakom mig och jag har Burke och Ed nere under mig," sade Doull.
"Det är Burkes andra olympiska titel i hans disciplin, det är Eds tredje och han är den mest dekorerade Yorkshireman, så han säger till mig, så att ha den kaliber av laget är bara massiv och det ger dig ett sådant förtroende."
Owain Doull har vunnit Wales första guld av OS 2016 som han hjälpte Storbritannien män lag jakt försvara deras cykeltitel i Rio.