Skriv en fortsættelse til dette afsnit - Sun deltog for Kina ved Sommer-OL 2008. I 2010 vandt han 1500 meter freestyle ved de asiatiske lege og satte en ny asiatisk rekord. Ved verdensmesterskaberne i 2011 slog han verdensrekorden på 1500 meter freestyle, som tidligere blev holdt af Grant Hackett i 2001 og den længst holdt verdensrekord i svømning på det tidspunkt. Sun vandt guldmedaljer i 400 og 1500 meter freestyle
ved Sommer-OL 2012. Ved verdensmesterskabet i 2013 blev han den anden svømmer, efter Hackett, til at vinde guldmedaljer i alle tre langdistance freestyle begivenheder (400, 800 og 1500 meter) i et enkelt verdensmesterskab.