Pada Olimpiade Musim Panas 2012 di London, Sjöström berkompetisi dalam empat acara individu, mencapai semifinal 50 m gaya bebas, 100 m gaya bebas dan 200 m gaya bebas, dan finis ke-4 di final 100 m kupu-kupu
dalam waktu 57,17. Rekor dunia Sjöström dipecahkan dalam balapan ini oleh Dana Vollmer dari Amerika Serikat. Namun pada tahun 2015 Sjöström mendapatkan kembali rekor dunia dengan meningkatkannya dua kali di Kejuaraan Dunia di Kazan.