2012年伦敦奥运会，孙杨在男子400米自由泳决赛中以3分40秒14的成绩打破该项目奥运会纪录获得冠军，并改写中国男子游泳项目无金牌的历史，成为中国第一个男子游泳奥运冠军。在男子200米自由泳决赛中，孙杨以1分44秒93的成绩获得银牌。在男子4x200米自由泳接力比赛中，孙杨和队友们为中国队摘得铜牌，这是中国在奥运会首次摘得男子接力项目的奖牌。
在男子1500米自由泳比赛中，孙杨以14分31秒02的成绩摘得金牌，并再次打破世界纪录，将由自己保持的原世界纪录提高三秒之多。
孙杨在伦敦奥运会共获两金一银一铜，是中国在本届奥运会获得奖牌最多的运动员，单届奖牌数量仅次于李宁在1984年洛杉矶奥运会取得的三金两银一铜。
