Segermarginalen till silvermedaljören Meg Harris, Australien, var 26 hundradelar. Zhang Yufei, Kina, tog brons. Sjöström var storfavorit inför söndagens final och många trodde att hon skulle slå sitt eget världsrekord (23,61) efter att ha satt olympiskt rekord (23,66) i lördagens ena semifinal.
Nu stannade klockan på 23,71.
Ett misstag i uppgången efter starten gjorde att hon inte kunde utmana sitt eget världsrekord.
– Mitt första simtag var riktigt dåligt. Men jag visste innan att även om jag gör några misstag så har jag en riktigt hög nivå. Jag gick in med självförtroende och tron på att jag skulle kunna göra under 24 sekunder, säger hon.
"Det här är min peak"
Det är 38:e gången som hon gör en tid under 24 sekunder – något som gjort att Sjöström är fullkomligt överlägsen på distansen där hon har vunnit fyra VM-guld, varav tre i rad.
Nu kom fullträffen i OS också.
Sjöström har tidigare pratat om att göra ett sjätte OS i Los Angeles 2028.
– Man vet aldrig vad som händer, men jag kommer aldrig att vara bättre än nu. Det här är min peak. Jag är så stolt, säger hon och fortsätter:
– Jag kommer att fortsätta simma i flera år, men det här kommer jag aldrig att slå, säger hon om fullträffen med två guld i Paris.
Medalj från Lindberg
Sarah Sjöström klev upp på prispallen och fick guldmedaljen av den svenska IOK-ledamoten Gunilla Lindberg.
Sjöström har nu sammanlagt sex OS-medaljer, varav tre guld, och Sveriges främsta simmare genom tiderna är nu också den bästa "blågula" OS-simmaren i historien.
Duon Gunnar Larsson och Håkan Malmrot har två OS-guld vardera.
Med årets två guld tar Sarah Sjöström också steget upp till delad förstaplats bland svenska kvinnliga idrottare med flest OS-guld. Hon delar nu förstaplatsen med kanotisten Agneta Andersson och längdskidåkaren Charlotte Kalla.
Sjöströms världsrekord på 50 fritt sattes under VM i Fukuoka, Japan, förra sommaren.
Fakta: Bästa svenska OS-simmarna
Sarah Sjöström 3 guld –2 silver – 1 brons.
Guld: 100 meter fjäril 2016, 50 och 100 meter fritt 2024, silver: 50 meter fritt 2021, 200 meter fritt 2016, brons: 100 meter fritt 2016.
Gunnar Larsson 2–0–0.
200 och 400 meter medley 1972.
Håkan Malmrot 2–0–0.
200 och 400 meter bröstsim 1920.
Arne Borg 1–2–1.
Guld: 1500 meter fritt 1928, silver: 400 meter fritt 1924, 1500 meter fritt 1924, brons: 400 meter fritt 1928.