Sjöström slog igenom på seniornivå när hon i mars 2008 blott 14 år gammal vann EM-guld på 100 meter fjärilsim, en sträcka på vilken hon 2009–2012 samt sedan 2015 innehar världsrekordet. Sjöström har fram till 2018 sammanlagt erövrat 21 VM- och EM-guld på lång bana. I de olympiska sommarspelen 2016 i Rio de Janeiro vann svenskan olympiskt guld och satte världsrekord med tiden 55,48 sekunder på 100 meter fjärilsim och vann också silver på 200 meter frisim och brons på 100 meter frisim.