Michelle Coleman missade dock finalen och hade tolfte tid.
Sjöström förbättrade sin tid från försöken, där hon var snabbast, med tolv hundradelar till 52,87.
I hennes semifinal låg fyra simmare som på ett pärlband i målgången.
Sjöström blev trea, tolv hundradelar efter guldfavoriten Mollie O'Callaghan, Australien, som vann heatet.
I den första semifinalen noterade Siobhan Haughey, Hongkong, den snabbaste tiden med 52,64.
Allt talar för en rysare på onsdagskvällen klockan 20.30.
Sarah Sjöström, 30, var äldst i semifinalfältet och tänker dra fördel av sin rutin.
– När man börjar pressa sig i en OS-final så kanske de drar på sig mjölksyra, jag kanske kan köra igenom den på ett annat sätt eftersom jag har simmat så många OS- och VM-finaler. Det kanske är min fördel, säger Sjöström.
"Lite riskabelt"
Hon provade sig fram i semifinalen med att förändra andningsschemat.
– Jag hade några punkter jag jobbade på, jag andades lite mindre på första längden än jag brukar. Det funkade bra, säger hon.
Sjöström hade ju från början inte tänkt simma 100 meter fritt i OS utan bara satsa på halva distansen individuellt. Där är hon stor guldfavorit.
Nu gör hon sin första mästerskapssimning på 100 meter fritt på två år.
– Jag är inte en jättevan 100-meterssimmare längre, så jag försöker hitta min grej. Det är lite riskabelt att testa grejer på ett OS, men jag har inget annat val, säger hon.
Miss för Coleman och Persson
Michelle Coleman hade behövt gå ned mot sitt fem år gamla personliga rekord (53,04) för att nå final.
Nu noterade hon 53,75 och var 57 hundradelar efter åttonde och sista finaltid.
– Jag går ut och rejsar verkligen. Det är jag stolt över. Första 50 är superbra, starten är jättebra. Jag hade velat simma final, men jag gjorde allt jag kunde, säger Coleman som också simmar 50 meter fritt i OS.
En besviken Erik Persson, Europamästare i juni, missade finalen på 200 meter bröstsim.
Hans 2.10,11 var 22 hundradelar från final.
– Det är en stor besvikelse, det känns som jag hade kunnat kapa min tid mer från i morse. Det känns tungt, säger 30-åringen, OS-finalist i Tokyo, som dock satsar vidare.
– Det är bara att gå tillbaka till ritbordet, säger han.