Scrieți o continuare pentru acest paragraf - Pentru Jocurile Olimpice de vară din 2012, Sun a fost considerat favorit la 400 de metri și 1500 de metri stil liber
, precum și un concurent în stil liber de 200 de metri. În primul său eveniment, la 400 de metri stil liber, a câștigat medalia de aur cu un timp de 3:40.14, depășind recordul olimpic deținut anterior de Ian Thorpe și devenind primul înotător masculin chinez care a câștigat o medalie de aur la Jocurile Olimpice. Timpul său a fost, de asemenea, al treilea cel mai rapid din istorie, la 0,07 secunde distanță de recordul mondial și a stabilit un nou record asiatic. După o zi de recuperare, Sun a concurat la 200 de metri stil liber. El a câștigat o medalie de argint în finală, egalizând cu Park Tae-hwan cu un timp de 1:44.93, un nou record național. A doua zi, Sun a înotat piciorul ancoră în ștafeta de 4 × 200 de metri stil liber pentru a ajuta echipa chineză să câștige bronz, prima medalie olimpică a Chinei într-un eveniment de ștafetă masculină.