Swój trzeci medal olimpijski wywalczyła na dystansie dwukrotnie krótszym, gdzie z czasem 52,99 uplasowała na trzeciej pozycji.
2017 Podczas mistrzostw świata w Budapeszcie Sjöström na pierwszej zmianie sztafety 4 × 100 m stylem dowolnym czasem 51,71 ustanowiła rekord świata na dystansie 100 m stylem dowolnym i jako pierwsza kobieta w historii uzyskała wynik poniżej 52 sekund. Następnego dnia, zdobyła swój czwarty tytuł mistrzyni świata w konkurencji 100 m stylem motylkowym i pobiła rekord mistrzostw (55,53). W finale 100 m stylem dowolnym z czasem 52,31 wywalczyła srebrny medal. 29 lipca obroniła tytuł mistrzyni świata na 50 m stylem motylkowym i rezultatem 24,60 ustanowiła nowy rekord mistrzostw, wyprzedzając o 0,78 s drugą na mecie, Holenderkę Ranomi Kromowidjojo. Godzinę później, w półfinałach 50 m stylem dowolnym pobiła rekord świata w tej konkurencji, uzyskawszy czas 23,67. W finale 50 m kraulem zdobyła złoty medal z drugim wynikiem w historii tego dystansu (23,69). Płynęła także w sztafecie 4 × 100 m stylem zmiennym, która została sklasyfikowana na piątym miejscu. Sjöström na swojej zmianie w stylu motylkowym uzyskała międzyczas 55,03.