Le 28 juillet, un mois seulement après son retour à l'entraînement, Sun Yang a remporté le titre de champion du monde du 400 mètres nage libre à Barcelone. Il empoche ainsi la première médaille d'or de la délégation chinoise depuis le début des Championnats du monde de natation 2013.
Après avoir remporté l'or olympique pour cette épreuve, Sun Yang reste indomptable et décroche la médaille d'or des Mondiaux en 3'41''59, le deuxième meilleur résultat de sa carrière, après son record de 3'40''14 aux JO de Londres.
Sun Yang est ainsi bien parti pour remplir son objectif de trois titres mondiaux sur 400 m, 800 m et 1500 m lors de la même édition des Mondiaux. Cet exploit n'a été réalisé qu'une fois, par l'Australien Grant Hackett, en 2005 à Montréal.
