L'une des meilleures nageuses de l'histoire avec 52 médailles d'or internationales (34 fois 2eme, 10 fois 3eme) remportées entre 2008 et 2024 dont un record de 23 médailles mondiales individuelles en grand bassin dépassant le record détenu par l'Américain Michael Phelps . Surnommée "Madame Butterfly", elle est l'une des perles de la natation mondiale féminine qui a battu des records de précocité. Entre 2008 et 2024, elle a remporté 6 médailles olympiques (3 en or, 2 en argent, 1 en bronze), 25 médailles mondiales en grand bassin (14 or, 8 argent, 3 bronze ; seule l'Américaine Katie Ledecky a fait mieux avec 26 médailles mondiales), 11 médailles mondiales en petit bassin (6 or, 4 argent, 1 bronze), 28 médailles européennes en grand bassin (17 en or, 7 en argent, 4 en bronze) dont 7 en 2014 (3 en or et 4 en argent) et 26 médailles européennes en petit bassin (12 en or, 12 en argent et 2 en bronze). En 2017, elle est devenue la première femme à remporter 4 titres mondiaux dans un même épreuve, le 100 m papillon. Elle est également la première nageuse de l'histoire à avoir remporté 5 médailles individuelles lors d'une même édition des Mondiaux, en 2019 (1er sur 50 m papillon, 2eme sur 50 m libre et 100 m papillon, 3eme sur 100 et 200 m libre).

Championne olympique du 100 m papillon en 2016 en battant le record du monde en 55s48. Elle remporte un 2eme et un 3eme titre olympique en s'imposant sur le 50 m et 100 m aux JO de Paris 2024 (2eme du 200 m en 2016 et du 50 m en 2021 ; 3eme du 100 m ; 4eme du 50 m papillon en 2012). En 2016 après sa médaille d'or sur le 100 m papillon, elle est devenue la première Suédoise sacrée championne olympique en natation.

Entre 2009 et 2024, elle est devenue six fois championne du monde sur 50 m papillon, quatre fois sur 100 m papillon et quatre fois sur 50 m libre. A quinze ans et dix mois en 2009, elle remporte son premier titre mondial du 100 m papillon dans un temps record de 56s06. Elle conserve son titre mondial du 100 m papillon en 2013, 2015 et 2017. Elle s'est également imposée sur 50 m papillon en 2015, 2017, 2019, 2022, 2023 et 2024 et sur 50 m nage libre en 2017 (en battant le record du monde en demi-finale en 23s67), 2022, 2023 et 2024 (2eme du 50 m en 2019, du 100 m en 2013, 2015 et 2017, du 100 m papillon en 2019, du 100 m libre en 2022 et du relais 4 x 100 m 4 nages en 2015 et 2024 ; 3eme du 50 m en 2015, du 100 m et du 200 m en 2019). En mars 2008, elle est devenue championne d'Europe de la distance à seulement quatorze ans.

Elle est la nageuse la plus titrée en championnat d'Europe avec 15 titres individuels. Championne d'Europe du 100 m papillon en 2008, 2010, 2016 et 2018, du 100 m nage libre en 2012, 2014, 2016 et 2018, du 50 m nage libre en 2018 et 2022, du 50 m papillon en 2012, 2014, 2016, 2018 et 2022, des relais 4 x 100 m en 2014 et 4 x 100 m 4 nages en 2022 (2eme du relais 4 x 100 m 4 nages en 2010 et 2014, du relais 4 x 100 m en 2012 et 2022, du 50 m, du 100 m papillon et du relais 4 x 200 m en 2014 ; 3eme des relais 4 x 100 m en 2010 et 2016 et 4 x 100 m mixte en 2022). Six fois championne du monde en petit bassin : du 50 et 100 m papillon et du 200 m en 2014 ; du 50 m et des relais 4 x 50 et 4 x 100 m4 nages en 2021 (2eme du 100 m en 2014 et 2021, du 50 m papillon et du 4 x 50 m en 2021 ; 3eme du 4 x 100 m en 2021). 12 fois championne d'Europe en petit bassin: du 50 m en 2017 et 2021, du 50 m papillon en 2013, 2015 et 2021, du 100 m en 2015 et 2021, du 100 m papillon en 2013, 2015, 2017 et 2021, et du relais 4 x 50 m 4 nages en 2017 (12 autres médailles d'argent et 2 de bronze depuis 2008). En Coupe du monde, elle a collectionné 112 médailles !  Recordwoman du monde du 100 m papillon depuis le 3 août 2015 aux championnats du monde de Kazan (55s48 amélioré à Rio en 2016). Elle a été élue meilleure nageuse mondiale en 2017 et cinq fois meilleure nageuse européenne, la dernière fois en 2023.