2012年倫敦奧運會，孫楊在男子400米自由泳決賽中以3分40秒14的成績打破該項目奧運會紀(jì)錄獲得冠軍，并改寫中國男子游泳項目無金牌的歷史，成為中國第一個男子游泳奧運冠軍。在男子200米自由泳決賽中，孫楊以1分44秒93的成績獲得銀牌。在男子4x200米自由泳接力比賽中，孫楊和隊友們?yōu)橹袊犝勉~牌，這是中國在奧運會首次摘得男子接力項目的獎牌。

在男子1500米自由泳比賽中，孫楊以14分31秒02的成績摘得金牌，并再次打破世界紀(jì)錄，將由自己保持的原世界紀(jì)錄提高三秒之多。

孫楊在倫敦奧運會共獲兩金一銀一銅，是中國在本屆奧運會獲得獎牌最多的運動員，單屆獎牌數(shù)量僅次于李寧在1984年洛杉磯奧運會取得的三金兩銀一銅。