Andika mwendelezo wa aya hii - Katika Michezo ya Olimpiki ya Majira ya joto ya 2016, Sun alishinda mbio za mita 200 za freestyle kwa muda wa 1:44.65, akimaliza sekunde 0.55 mbele ya mchezaji wa pili Chad le Clos. Ilikuwa taji la kwanza kubwa la kimataifa la Sun katika tukio hili, na akawa mwanariadha wa kwanza wa China kushinda medali ya dhahabu katika tukio hili. Alishinda medali ya fedha katika mbio za mita 400 za freestyle kwa muda wa 3:41.68, akimaliza sekunde 0.13 nyuma ya Mack Horton wa Australia. Sun alimaliza nafasi ya 16 katika fainali za kufuzu za mbio za mita 1,500 za uhuru
, clocking katika saa 15:01.97. Kwa medali yake ya dhahabu ya mita 200 ya freestyle na medali zake za dhahabu za mita 400 na 1500 za freestyle kutoka Olimpiki ya Majira ya joto ya 2012, Sun akawa mwogeleaji wa kwanza katika historia kushinda medali za dhahabu za Olimpiki katika hafla za mita 200, 400, na 1500 za freestyle.