Írj folytatást erre a bekezdésre - A 2012-es nyári olimpiai játékokon Sun a 400 méter és 1500 méter szabad stílusban volt a favorit.
, valamint a 200 méteres szabad stílusban. Az első versenyen, a 400 méteres szabadúszásban, aranyérmet nyert 3:40.14-es idővel, megdöntve Ian Thorpe korábbi olimpiai rekordját, és az első kínai férfi úszóvá vált, aki aranyérmet nyert az olimpián. Az idője a harmadik leggyorsabb volt a történelemben, 0,07 másodperccel a világrekordtól, és új ázsiai rekordot állított fel. Egy nap gyógyulása után Sun 200 méteres szabad stílusban versenyzett. Ezüstérmet nyert a döntőben, és megegyezett Park Tae-hwannal 1:44.93 idővel, új nemzeti rekordot. A következő napon Sun úszott a horgony lábát a 4 × 200 méteres szabadstílusú sztafet, hogy segítsen a kínai csapatnak bronzérmet nyerni, Kína első olimpiai érmét a férfi sztafet versenyen.