A 2012-es londoni nyári olimpiai játékokon Sjöström négy egyéni versenyen vett részt, a 50 méter szabad, a 100 méter szabad és a 200 méter szabad félidős döntőbe jutott, valamint a 100 méter pillangófutás döntőjében negyedik lett.
57,17-es idővel. Sjöström világrekordját ebben a versenyen Dana Vollmer, az Egyesült Államokból megdöntötte. 2015-ben azonban Sjöström visszanyerte a világrekordot, kétszer javítva a kazáni világbajnokságon.