La Jocurile Olimpice de vară din 2012 de la Londra, Sjöström a concurat în patru evenimente individuale, ajungând în semifinale la 50 m stil liber, 100 m stil liber și 200 m stil liber și terminând pe locul 4 în finala la 100 m fluture
într-un timp de 57,17. Recordul mondial al lui Sjöström a fost doborât în această cursă de Dana Vollmer din Statele Unite. În 2015, însă, Sjöström a recâștigat recordul mondial, îmbunătățindu-l de două ori la Campionatul Mondial de la Kazan.