2009 Podczas mistrzostw świata w Rzymie w półfinale 100 m stylem motylkowym czasem 56,44 pobiła rekord świata. W finale tej konkurencji zdobyła złoty medal i poprawiła rekord globu, uzyskawszy czas 56,06. Na 50 m stylem motylkowym z czasem 25,66 zajęła szóste miejsce.
2010 Na mistrzostwach w Budapeszcie obroniła tytuł mistrzyni Europy w konkurencji 100 m stylem motylkowym (57,32). Sjöström wywalczyła też medale w sztafetach 4 × 100 m stylem zmiennym (srebro) i 4 × 100 m stylem dowolnym (brąz). Na 50 m stylem motylkowym i 100 m stylem dowolnym była czwarta, uzyskawszy odpowiednio czasy 26,14 i 54,16.
2011 Podczas mistrzostw świata w Szanghaju w konkurencji 50 m stylem motylkowym uplasowała się na czwartej pozycji ex aequo z Chinką Lu Ying, kiedy obie pływaczki zakończyły wyścig z rezultatem 25,87. Na dystansie dwukrotnie dłuższym również była czwarta (57,38). Tuż za podium znalazła się także na 200 m stylem dowolnym, gdzie uzyskała czas 1:56,41.
2012 W maju na mistrzostwach Europy w Debreczynie zdobyła trzy medale. Sjöström zwyciężyła w konkurencjach 100 m stylem dowolnym i 50 m stylem motylkowym, uzyskawszy odpowiednio czasy 53,61 i 25,64.