En los Juegos Olímpicos de Londres 2012, Sjöström compitió en cuatro pruebas individuales, llegando a las semifinales de los 50 m estilo libre.
, 100 m estilo libre y 200 m estilo libre, y terminó 4o en la final de los 100 m mariposa en un tiempo de 57.17. El récord mundial de Sjöström fue batido en esta carrera por Dana Vollmer de los Estados Unidos. En 2015, sin embargo, Sjöström recuperó el récord mundial al mejorarlo dos veces en el Campeonato Mundial de Kazán.