Skryf 'n voortsetting vir hierdie paragraaf - By die 2016 Somer Olimpiese Spele, het Sun die 200 meter vryslag gewen met 'n tyd van 1:44.65, wat 0.55 sekondes voor naaswenner Chad le Clos geëindig het. Dit was Sun se eerste groot internasionale titel in hierdie gebeurtenis, en hy het die eerste Chinese atleet geword wat 'n goue medalje in hierdie gebeurtenis gewen het. Hy het 'n silwermedalje in die 400 meter vryslag met 'n tyd van 3:41.68 gewen, wat 0.13 sekondes agter Mack Horton van Australië eindig. Sun het 16de geëindig in die kwalifiseringswedrenne van die 1500 meter vryslag
, aangeteken op 15:01.97. Met sy goue medalje in die 200 meter vryslag en sy goue medaljes in die 400 en 1500 meter vryslag van die Olimpiese Somerspele in 2012, het Sun die eerste swemmer in die geskiedenis geword wat Olimpiese goue medaljes in die 200, 400 en 1500 meter vryslagtoernooie gewen het.