Patrick Hausding (506,10) wurde Zweiter und gewann Silber vor dem Ukrainer Alexander Bondar (493,95) auf Rang drei.
"Nach meinem Fehler im vierten Durchgang bin ich ein wenig nervös geworden. Dann habe ich mich an meine guten Leistungen vom Morgen erinnert, das hat mich zum Sieg geführt", sagte Klein.
Für den 25-Jährigen war es bereits sein sechstes EM-Gold. Durch den Titelgewinn hat der Deutsche Schwimm-Verband (DSV) einen Quoten-Startplatz für Olympia 2012 in London sicher.
Am Samstag hatten Klein/Hausding im Synchronspringen vom Turm ihren Titel erfolgreich verteidigt. Das Duo hatte sich mit 467,16 Punkten vor Alexander Gorschkowozow/Alexander Bondar aus der Ukraine (458,34) sowie den Russen Wiktor Minibajew/Ilja Zacharow (441,15) durchgesetzt. In Turin sammelte der DSV je dreimal Gold und Silber sowie einmal Bronze.