Der Durchbruch bei den Senioren gelang Sjöström bereits bei den Europameisterschaften 2008 im niederländischen Eindhoven. Im Halbfinale über 100 m Schmetterling stellte die 14-Jährige mit einer Zeit von 58,38 s den schwedischen Landesrekord von Anna-Karin Kammerling ein und sicherte sich im Finale den Sieg gegen die fast acht Jahre ältere Niederländerin Inge Dekker. Mit ihrem EM-Titel war Sjöström die jüngste schwedische Sportlerin, die bei internationalen Titelkämpfen einen olympischen Wettbewerb gewinnen konnte. Daraufhin erhielt die Schülerin eine Nominierung in das schwedische Aufgebot für die Olympischen Sommerspiele in Peking, wo sie aber nicht an den vorangegangenen Erfolg anknüpfen konnte. In den Vorläufen belegte Sjöström über 100 m Schmetterling (59,08 s) und 100 m Rücken (1:02,38 min) nur einen 27. beziehungsweise 29. Platz, während die schwedische Lagen-Staffel im Finale, wo sie als Startschwimmerin eingesetzt war, nach einem Wechselfehler disqualifiziert wurde. Im Dezember 2008 nahm sie an den Kurzbahneuropameisterschaften in Rijeka teil, wo sie mit der schwedischen Freistilstaffel die Silbermedaille hinter den Niederlanden errang und die Endläufe über die Strecken 50 m Schmetterling (7. Platz; 26,10 s), 100 m Freistil (6. Platz; 53,45 s) und 100 m Schmetterling (6. Platz; 57,40 s) erreichte, ohne aber eine Einzelmedaille zu gewinnen.