Mit 17 Jahren spielte Sørensen zum ersten Mal für die dänische U-21-Auswahl. Im November 1999 gab er gegen Israel sein Länderspieldebüt für die A-Nationalmannschaft Dänemarks und kurz darauf wurde er für die Euro 2000 als Ersatztorhüter mitgenommen. Im November 2000 feierte er gegen Deutschland (2:1) seinen Einstand in der Startelf und nach dem Rücktritt von Peter Schmeichel übernahm er im Jahr 2001 den Platz als Stammtorwart. Bei der WM 2002 und der EM 2004 kam er jeweils in allen vier Spielen der Dänen zum Einsatz. Sechs Jahre später absolvierte er anlässlich der WM 2010 in Südafrika sein drittes und letztes Endrundenturnier. Dabei hatte er sich im Vorfeld noch am Ellenbogen verletzt, war aber nach unveränderter Nominierung durch Trainer Morten Olsen zum ersten Gruppenspiel rechtzeitig fit geworden. Am Ende schied er jedoch mit Dänemark nach dem Ende der Gruppenphase vorzeitig aus dem Turnier aus.