Skryf 'n voortsetting vir hierdie paragraaf - Vir die 2012 Somer Olimpiese Spele, is Sun beskou as 'n gunsteling in die 400 meter en 1500 meter vryslag
, sowel as 'n mededinger in die 200 meter vryslag. In sy eerste wedstryd, die 400 meter vryslag, het hy die goue medalje gewen met 'n tyd van 3:40.14, wat die Olimpiese rekord gebreek het wat voorheen deur Ian Thorpe gehou is en die eerste Chinese manlike swemmer geword het wat 'n goue medalje by die Olimpiese Spele gewen het. Sy tyd was ook die derde vinnigste in die geskiedenis, 0.07 sekondes van die wêreldrekord af, en het 'n nuwe Asiatiese rekord opgestel. Na 'n dag se herstel het Sun in die 200 meter vryslag deelgeneem. Hy het 'n silwermedalje in die eindstryd gewen, wat gelyk was met Park Tae-hwan met 'n tyd van 1:44.93, 'n nuwe nasionale rekord. Die volgende dag het Sun die ankerbeen geswem in die 4 × 200 meter vrystylstafelspan om die Chinese span te help om brons te wen, China se eerste Olimpiese medalje in 'n mansstafelspan.