Sjöström voitti 100 metrin perhosuinnin maailmanmestaruuden Roomassa 2009 maailmanennätysajalla 56,06. Hän teki jo välierissä maailmanennätyksen 56,44, joka rikkoi Inge de Bruijnin Sydneyn olympialaisissa 2000 tekemän entisen ennätyksen 0,17 sekunnilla. Hän sijoittui lisäksi kuudenneksi 50 metrin perhosuinnissa ja Ruotsin joukkueen jäsenenä viidenneksi 4×100 metrin vapaauintiviestissä. Saman vuoden Istanbulin lyhyen radan EM-kilpailuissa hän sai hopeaa 4 × 50 metrin vapaa- ja sekauintiviesteissä. Budapestin pitkän radan EM-kilpailuissa 2010 hän voitti 100 metrin perhosuinnin Euroopan-mestaruuden ajalla 57,32 sekä sai hopeaa 4 × 100 metrin sekauintiviestissä ja pronssia 4 × 100 metrin vapaauintiviestissä. Shanghain MM-kilpailuissa 2011 hän oli neljäs 200 metrin vapaauinnissa sekä 50 ja 100 metrin perhosuinnissa.