Samtidig røk en historisk seiersrekke for USAs stafettlag på 4 x 100 meter medley for menn.
Sjöström forsvarte favorittstempelet da hun svømte inn til 23,71 på 50 meter fri.
– Det var magisk. Jeg hadde aldri trodd at jeg skulle vinne to gull i mitt femte OL. Det er uvirkelig, sa 30-åringen til Max.
Hun har spesialisert seg på den distansen, men stilte for moro skyld opp på den dobbelte distansen tidligere i lekene og vant den også.
Hun har tatt begge Sveriges gull så langt i Paris-OL. Søndag tok hun også steget opp ved siden av padleren Agneta Andersson og langrennsløperen Charlotte Kalla som de svenske kvinner med flest OL-gull. De har tre hver.
Rekorder og sjokktap
Verdensrekordene satt langt inne i OL-bassenget i Paris, men søndag kom to til. Amerikanske svømmere sto for begge.
Bobby Finke slo inn til 14.30,67 på 1500 meter fri., mens USA-kvartetten på 4 x 100 meter medley for kvinner satte rekord med 3.49,63 i den aller siste finalen. Dermed ble antall verdensrekorder doblet søndag til fire.
Derimot gikk USA på et sjokktap i 4 x 100 meter medley for menn. Kina brøt en seiersrekke på ti strake OL-gull for amerikanerne, helt tilbake til øvelsen kom på OL-programmet i Roma-lekene i 1960. Da ser man bort fra 1980, da USA boikottet lekene i Moskva.
Les også: Fullt program OL i Paris, dag for dag, time for time
Debatt
På vinnerlaget var Qin Haiyang og Sun Jiajun, to av mange kinesiske svømmere som slapp dopingutelukkelse etter å ha testet positivt. Forklaringen om forurenset mat ble akseptert både av landets antidopingmyndigheter og av Wada, noe som har skapt debatt.
Stjernen på det kinesiske vinnerlaget var likevel Pan Zhanle, som tidligere i lekene satte verdensrekord på 100 meter fri. Han svømte fra Hunter Armstrong på ankeretappen.
Sør-Koreas kvinnelige bueskyttere tangerte i Paris rekorden på 10 strake seirer i samme OL-øvelse. USA skulle søndag ta den tilbake, men greide det ikke.
USA ble mestvinnende nasjon med åtte gull, mot Australias sju, men det var færrest amerikanske gull siden Seoul-OL i 1988.
Les også: Full jubel da Rooth fikk gullmedaljen: – Uvirkelig