Op de Olympische Zomerspelen van 2012 in Londen, Sjöström concurreerde in vier individuele evenementen, het bereiken van de halve finale van de 50 m vrije stijl
, 100 m vrij en 200 m vrij, en eindigde als vierde in de finale van de 100 m vlinder in een tijd van 57,17. Sjöströms wereldrecord werd in deze race gebroken door Dana Vollmer uit de Verenigde Staten. In 2015 herwon Sjöström echter het wereldrecord door het twee keer te verbeteren op het Wereldkampioenschap in Kazan.