Viết phần tiếp theo cho đoạn này - Sun thi đấu cho Trung Quốc tại Thế vận hội Mùa hè 2008. Năm 2010, anh đã giành chiến thắng trong cuộc thi tự do 1500 mét tại Thế vận hội châu Á, lập kỷ lục châu Á mới. Tại Giải vô địch thế giới 2011, anh đã phá vỡ kỷ lục thế giới 1500 mét tự do, trước đó được giữ bởi Grant Hackett vào năm 2001 và kỷ lục thế giới được giữ lâu nhất trong bơi lội vào thời điểm đó. Sun đã giành huy chương vàng trong 400 và 1500 mét tự do
tại Thế vận hội Mùa hè 2012. Tại Giải vô địch thế giới năm 2013, anh trở thành vận động viên bơi thứ hai, sau Hackett, giành huy chương vàng trong cả ba sự kiện tự do đường dài (400, 800 và 1500 mét) trong một Giải vô địch thế giới duy nhất.