I vinter-OL 2018 i Pyeongchang i Sør-Korea, tok Sundby tre medaljer. Først tok han sølv på fellesstart med skibytte, deretter gull på på herrestafetten. Her gikk han 2. etappe på et stafettlag bestående av Didrik Tønseth (1. etappe), Simen Hegstad Krüger (3. etappe) og Johannes Høsflot Klæbo (4. etappe). Noen dager senere tok han gull på lagsprint friteknikk sammen med Johannes Høsflot Klæbo. På den avsluttende 5-mila ble Sundby nummer 5.