2012 m. Londono vasaros olimpinėse žaidynėse Sjöström varžėsi keturiose individualiose varžybose ir pasiekė pusfinalių
50 m laisvojo stiliaus, 100 m laisvojo stiliaus ir 200 m laisvojo stiliaus, ir baigti ketvirtas 100 m drugelių finale 57.17 metu. Sjöströmo pasaulio rekordą šioje lenktynėje sulaužė Dana Vollmer iš Jungtinių Valstijų. Tačiau 2015 m. Sjöströmas atgavo pasaulio rekordą, du kartus jį patobulindamas Pasaulio čempionate Kazane.