Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Alle Olimpiadi estive del 2016, Sun ha vinto i 200 metri stile libero con un tempo di 1:44.65, terminando 0,55 secondi davanti al secondo classificato Chad le Clos. È stato il primo grande titolo internazionale di Sun in questo evento, ed è diventato il primo atleta cinese a vincere una medaglia d'oro in questo evento. Ha vinto una medaglia d'argento nei 400 metri stile libero con un tempo di 3:41.68, finendo a 0,13 secondi dietro Mack Horton dell'Australia. Sun ha chiuso al sedicesimo posto nelle qualifiche dei 1500 metri stile libero
, che arriva alle 15:01.97. Con la sua medaglia d'oro ai 200 metri stile libero e le sue medaglie d'oro ai 400 e 1500 metri stile libero delle Olimpiadi estive del 2012, Sun è diventato il primo nuotatore della storia a vincere medaglie d'oro olimpiche negli eventi di stile libero a 200, 400 e 1500 metri.