Inge Sørensen begyndte som otteårig at svømme for Dansk Kvinde-Gymnastikforening i København og fik sit nationale gennembrud som 11-årig, hvor hun præsterede meget fine tider i brystsvømning. Hun vandt ni danske mesterskaber i 1936-44, blev nordisk mester i 1937 og 1939, og i 1938 blev hun europamester i London i 200 meter brystsvømning på tiden 3:05,4 minutter. Hun satte 14 danske rekorder i 200, 400 og 500 meter brystsvømning og blev i 1941 den første danske kvindelige svømmer under 3 minutter i 200 meter brystsvømning. Hun satte tre verdensrekorder. I 1937 satte hun verdensrekord i 500 m brystsvømning med tiden 8:01,9, og i 1939 satte hun verdensrekord i 500 meter brystsvømning med tiden 7:58,8 og 400 meter brystsvømning med tiden 6:16,1. Anden verdenskrig fratog hende chancen for at deltage i OL 1940 og 1944 samt EM i 1942, som alle blev aflyst. Inge Sørensen blev som mange af mellemkrigstidens succesfulde danske kvindelige svømmere trænet af Ingeborg Paul-Petersen.