Hijo del pintor Henrik Sørensen y Gudrun Cleve, Sørensen se convirtió en profesor de física nuclear en la Universidad de Oslo.
Su labor científica se centró en el estudio de las partículas elementales y sus reacciones mediante emulsiones fotográficas, cámaras de burbujas y equipos electrónicos.
Sørensen también realizó investigaciones sobre antiprotones y radiación cósmica.
Era conocido como un orador inspirador tanto en la universidad como cuando daba conferencias populares.
También escribió una gran biografía sobre la vida y el arte de su padre.