Han är Danmarks mest meriterade tävlingscyklist med 54 segrar och 127 podieplatser på 17 säsonger. Bland segrarna märks klassiska endagslopp som Flandern runt, Liège-Bastogne-Liège, Paris-Bruxelles, Paris-Tours och Milano-Torino. Därutöver har han två individuella etappsegrar i Tour de France och en i Giro d'Italia. Han bar den gula ledartröjan efter vinsten i lagtempo på etapp 2 under Tour de France 1991, men förlorade den efter att ha brutit nyckelbenet i en rondell några kilometer före mål på etapp 5. Sørensen deltog sammanlagt i sju Tour de France (som bäst 19:e 1994 och 28:e 1996, fullföljde ej två av loppen), åtta gånger i Giro d'Italia (som bäst 30:e 1994, fullföljde ej tre av loppen) och i Vuelta a España två gånger (59:a 1998, bröt 1999). I etapploppet Tirreno-Adriatico blev han totalsegrare två gånger, likaså i Ronde van Nederland, och därutöver vann han också en totalseger i Post Danmark Rundt. Vid OS i Atlanta 1996 vann han silver i linjeloppet.