I august 2019 signerte han en ny utlånsavtale, med Trabzonspor i tyrkisk Süper Lig. Han scoret mål i sin første offisielle kamp for klubben, da han scoret i tredje kvalifiseringsrunde i Europaligaen i fotball for menn 2019/20. I mars 2020 scoret han hattrick mot Kasımpaşa SK, og han ble ligaens toppscorer denne sesongen, med 24 ligamål. Han bidro med det til at Trabzonspor fikk sølv i serien (Süper Lig 2019–2020) og de vant den tyrkiske cupen etter at de slo Alanyaspor i cupfinalen, der Sørloth hadde én målgivende og én målscoring. Han scoret totalt 33 mål for klubben denne sesongen, i serie og cuper, og satte med dette ny sesongrekord for en utenlandsk spiller i Trabzonspor.