Det är första gången en afrikan tar OS-guld på distansen och med tiden 3.43,36 vann han med 16 hundradelars marginal till tvåan Jack McLoughlin, Australien.
Hafnaouis guld är det femte för Tunisien i OS-historien och det tredje i simning.
18-åringen gick till final som siste man, men var först i mål från sin ytterbana och var jublande glad.
– Det kändes bättre nu än i går och så är det med det. Jag är olympisk mästare nu, säger han enligt beninsports.com.
Hemmasimmaren Yui Ohashi vann guld på 400 meter medley och satte därmed punkt för en era. Ungerska stjärnan Katinka Hosszu, Järnladyn kallad, hade vunnit fyra raka VM-guld och var regerande OS-mästarinna på distansen.
Men ungerskan, nu 32 år gammal, tog inte ens medalj utan slutade på femte plats.
Yui Ohashi vann på 4.32,08 och vann med nästan sju tiondelar före amerikanskan Emma Weyant.
– Det känns inte på riktigt. Det är en dröm för mig. Jag kunde inte åka till OS i Rio så det här har varit min dröm de senaste fem åren, säger 25-åriga Ohashi.
Amerikanen Chase Kalisz tog hem guldet på herrarnas 400 meter medley.