Kukamilisha maneno yafuatayo: Kwa 2012 Summer Olimpiki, Sun alichukuliwa favorite katika mita 400 na
1500 mita freestyle, kama vile mgombea katika 200 mita freestyle. Katika tukio lake la kwanza, mita 400 freestyle, alishinda medali ya dhahabu na wakati wa 3:40.14, kuvunja rekodi ya Olimpiki iliyoshikiliwa hapo awali na Ian Thorpe na kuwa mwanariadha wa kwanza wa kiume wa Kichina kushinda medali ya dhahabu kwenye Olimpiki. Wakati wake pia ulikuwa wa tatu kwa kasi zaidi katika historia, sekunde 0.07 mbali na rekodi ya ulimwengu, na kuweka rekodi mpya ya Asia. Baada ya siku ya kupona, Sun alishindana katika mbio za mita 200 za uhuru. Alishinda medali ya fedha katika fainali, akilinganisha na Park Tae-hwan kwa muda wa 1:44.93, rekodi mpya ya kitaifa. Siku iliyofuata, Sun aliogelea mguu wa nanga katika mbio za mita 4 × 200 za freestyle ili kusaidia timu ya China kushinda shaba, medali ya kwanza ya Olimpiki ya China katika tukio la mbio za wanaume.