На 24 юли на финала на шпага за жени на Олимпийските игри в Токио 29-годишната китайска състезателка за пръв път спечели олимпийската титла. Сун Иуън се наложи с 11:10 точки след продължение над 36-годишната румънка Ана Мария Попеску, която е водачка в световната ранглиста. Във финала Сун Иуън започна с пасив от 0:2 точки, но не се предаде и впоследствие успя да нанесе точен удар в торса на съперничката си и така спечели първото си злато на Олимпиадата. Сун Иуън даде интервю за Китайската медийна група, в което каза, че е била много развълнувана преди финала и цяла вечер не е спала, като дори предварително си намислила благодарствената реч за приемането на титлата.