Lontoon olympialaisissa 2012 Sjöström kilpaili neljässä yksilötapahtumassa, pääsi 50 metrin vapaasti, 100 metrin vapaasti ja 200 metrin vapaasti puolifinaaliin ja sijoittui neljänneksi 100 metrin perhosen finaaliin.
Aikaa oli 57,17. Sjöströmin maailmanennätyksen rikkoi Dana Vollmer Yhdysvalloista. Vuonna 2015 Sjöström kuitenkin palautti maailmanennätyksen parantamalla sitä kahdesti Kazanin maailmanmestaruuskilpailussa.