Lontoon olympialaisissa 2012 Sjöström kilpaili neljässä yksittäisessä kilpailussa ja pääsi 50 metrin vapaastijuoksun semifinaaliin.
, 100 metrin vapaasti ja 200 metrin vapaasti, ja lopulta neljäs 100 metrin perhosen finaalissa ajassa 57,17. Sjöströmin maailmanennätyksen rikkoi Dana Vollmer Yhdysvalloista. Vuonna 2015 Sjöström kuitenkin palautti maailmanennätyksen parantamalla sitä kahdesti Kazanin maailmanmestaruuskilpailussa.