Sørensen debuteerde op 18 juni 1961 thuis tegen Zweden (1-2) in het Deens voetbalelftal. Hij speelde 25 keer voor zijn land, waaronder op het Europees kampioenschap voetbal 1964. Zijn laatste interland was op 1 juli 1969, thuis tegen Bermuda (6-0). Sørensen scoorde zevenmaal voor het nationale team. Eerder kwam hij driemaal voor Denemarken tot 21 jaar uit.