W reprezentacji Danii Sørensen zadebiutował 18 czerwca 1961 w przegranym 1-2 meczu Mistrzostw Nordyckich ze Szwecją. W 1964 wystąpił w Pucharze Narodów Europy. Dania zajęła ostatnie, czwarte miejsce a Sørensen wystąpił w obu jej meczach z ZSRR i Węgrami. Ostatni raz w reprezentacji wystąpił 1 lipca 1969 w wygranym 6-0 towarzyskim meczu z Bermudami, w którym w 80 min. ustalił wynik meczu. Od 1961 do 1969 roku rozegrał w kadrze narodowej 25 meczów, w których zdobył 7 bramek.