Sjöström voitti Lontoossa 2016 Euroopan-mestaruuden 100 metrin vapaauinnissa ajalla 52,82, 50 metrin perhosuinnissa ajalla 24,99 ja 100 metrin perhosuinnissa ajalla 55,89. Lisäksi hän sai pronssia 4 × 100 metrin vapaauintiviestissä. Hän saavutti saman vuoden Rio de Janeiron olympialaisissa kultaa 100 metrin perhosuinnissa maailmanennätysajalla 55,48, hopeaa 200 metrin vapaauinnissa ajalla 1.54,08 ja pronssia 100 metrin vapaauinnissa ajalla 52,99. 50 metrin vapaauinnissa hän karsiutui välierissä. Hän sijoittui Ruotsin joukkueessa viidenneksi sekä 4 × 100 että 4 × 200 metrin vapaauintiviesteissä.