Í sumarólympíuleikunum í London 2012 keppti Sjöström í fjórum einstaklingsgreinum og komst í undanúrslit í 50 m frjálslyndis, 100 m frjálslyndis og 200 m frjálslyndis og varð fjórði í úrslitum í 100 m fiðrildi.
Í tímanum 57.17. Dana Vollmer frá Bandaríkjunum sló heimsmet Sjöströms í þessari keppni. Árið 2015 náði Sjöström heimsmetið aftur með því að bæta það tvisvar á heimsmeistaramótinu í Kazan.