2012 Londoni suveolümpiamängudel võistles Sjöström neljas individuaalses võistluses, jõudes 50 m vabasõiduga poolfinaali
, 100 m vabas ja 200 m vabas, ning lõpetas neljas finaalis 100 m liblikas ajaga 57,17. Sjöströmi maailmarekordi murdis selles võidus Dana Vollmer Ameerika Ühendriikidest. 2015. aastal taastas Sjöström maailma rekordi, parandades seda kaks korda Kazanis toimunud maailmameistrivõistlustel.