Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Per le Olimpiadi estive del 2012, Sun è stato considerato il favorito nei 400 metri e 1500 metri stile libero
, oltre che un concorrente nel 200 metri stile libero. Nel suo primo evento, il 400 metri stile libero, ha vinto la medaglia d'oro con un tempo di 3:40.14, battendo il record olimpico precedentemente detenuto da Ian Thorpe e diventando il primo nuotatore maschile cinese a vincere una medaglia d'oro alle Olimpiadi. Il suo tempo è stato anche il terzo più veloce della storia, a 0,07 secondi dal record mondiale, e ha stabilito un nuovo record asiatico. Dopo una giornata di recupero, Sun ha gareggiato nei 200 metri stile libero. Ha vinto una medaglia d'argento nella finale, pareggiando con Park Tae-hwan con un tempo di 1:44.93, un nuovo record nazionale. Il giorno successivo, Sun ha nuotato la gamba di ancoraggio nella staffetta 4 × 200 metri stile libero per aiutare la squadra cinese a vincere il bronzo, la prima medaglia olimpica della Cina in una prova di staffetta maschile.