W sztafecie kraulowej 4 × 100 m wywalczyła srebro.
Dwa miesiące później, podczas igrzysk olimpijskich w Londynie na dystansie 100 m stylem motylkowym zajęła czwarte miejsce z czasem 57,17. W konkurencji 100 m stylem dowolnym była dziewiąta (53,93). W półfinale 200 m stylem dowolnym uzyskała czas 1:58,12 min i nie zakwalifikowała się do finału, plasując się ostatecznie na 12. pozycji. Na 50 m kraulem zajęła 14. miejsce (25,08). Sjöström płynęła także w sztafetach 4 × 100 m stylem dowolnym i zmiennym.
2013 W lipcu na mistrzostwach świata w Barcelonie na dystansie 100 m stylem motylkowym zdobyła swój drugi tytuł mistrzyni globu, uzyskawszy czas 56,53. W półfinale 100 m stylem dowolnym ustanowiła nowy rekord Szwecji (52,87), po raz pierwszy w swojej karierze płynąc poniżej 53 sekund. W finale tej konkurencji wywalczyła srebrny medal (52,89). Na dystansach 50 i 200 m stylem dowolnym była czwarta, uzyskawszy odpowiednio czasy 24,45 s i 1:56,63 min.
2014 5 lipca podczas mistrzostw Szwecji w Borås czasem 24,43 s pobiła rekord świata na dystansie 50 m stylem motylkowym. Sjöström poprawiła poprzedni rekord aż o 0,64 s i stała się jednocześnie pierwszą zawodniczką, która uzyskała w tej konkurencji rezultat poniżej 25 sekund.