Na Letnich Igrzyskach Olimpijskich 2012 w Londynie, Sjöström rywalizowała w czterech indywidualnych zawodach, osiągając półfinały na 50 m w stylu swobodnym.
, 100 m freestyle i 200 m freestyle, i ukończył 4. miejsce w finale 100 m motyla w czasie 57,17. W tym wyścigu rekord świata Sjöströma pobiła Dana Vollmer z USA. W 2015 roku jednak Sjöström odzyskał rekord świata, poprawiając go dwukrotnie na Mistrzostwach Świata w Kazaniu.