Kirjoita jatko tähän kappaleeseen - Sun oli vuoden 2012 kesäolympialaisten suosikki 400 metrin ja 1500 metrin vapaastijuoksussa.
Hän on myös kilpaillut 200 metrin vapaasti. Hänen ensimmäinen tapahtuma, 400 metrin vapaasti, hän voitti kultamitalin aikaa 3:40.14, rikkoen olympiakilpailun ennätys aiemmin omistettu Ian Thorpe ja tulossa ensimmäinen kiinalainen mies uimari voittaa kultamitalin olympialaisissa. Hänen aikansa oli myös historian kolmanneksi nopein, 0,07 sekunnin päässä maailmanennätyksestä, ja asetti uuden Aasian ennätyksen. Päivän toipumisen jälkeen Sun kilpaili 200 metrin vapaasti. Hän voitti finaalissa hopeamitalin, tasapainottamalla Park Tae-hwanin kanssa aika 1:44.93, uusi kansallinen ennätys. Seuraavana päivänä Sun ui ankkurijalkaa 4 × 200 metrin vapaasti renkaassa auttaakseen Kiinan joukkuetta voittamaan pronssin, Kiinan ensimmäisen olympiamitalin miesten renkaatilanteessa.