כתוב המשך לקטע זה - באולימפיאדת הקיץ 2012, סאן נחשבה לפאוריטי ב-400 מטר ו-1500 מטר חופשי
, כמו גם מתחרה ב 200 מטר סגנון חופשי. באירוע הראשון שלו, 400 מטר חופשי, הוא זכה במדליית זהב עם זמן של 3:40.14, שבר את השיא האולימפי שהיה בידי איאן ת'ורפ והפך לשחיין הסיני הראשון לזכות במדליית זהב באולימפיאדה. הזמן שלו היה גם השלישי הכי מהיר בהיסטוריה, 0.07 שניות מהשיא העולמי, והקמת שיא אסיאתי חדש. אחרי יום של התאוששות, סאן התחרה ב-200 מטר סגנון חופשי. הוא זכה במדליית כסף בגמר, בהשוואה לפארק טה-הוואן עם זמן של 1:44.93, שיא לאומי חדש. למחרת שחה סון את רגל העוגן בתחרות הסדנה חופשית של 4 × 200 מטרים כדי לעזור לקבוצה הסינית לזכות ברונזה, המדליה האולימפית הראשונה של סין בתחרות הסדנה הגברית.