Skriv en fortsættelse til dette afsnit - For Sommer-OL 2012 blev Sun anset for at være favorit i 400 meter og 1500 meter freestyle
, samt en deltager i 200 meter freestyle. I sin første begivenhed, 400 meter freestyle, vandt han guldmedaljen med en tid på 3:40.14, hvilket brød den olympiske rekord, der tidligere blev holdt af Ian Thorpe og blev den første kinesiske mandlige svømmer til at vinde en guldmedalje ved OL. Hans tid var også den tredje hurtigste i historien, 0,07 sekunder fra verdensrekorden, og satte en ny asiatisk rekord. Efter en hel dag med at komme sig, konkurrerede Sun i 200 meter freestyle. Han vandt en sølvmedalje i finalen, hvor han blev lige med Park Tae-hwan med en tid på 1:44,93, en ny national rekord. Den følgende dag svømmede Sun ankerbenet i 4 × 200 meter freestyle-stafetten for at hjælpe det kinesiske hold med at vinde bronze, Kinas første olympiske medalje i en mænds stafetten.