Sørensen woonde tijdens haar jeugdjaren met haar ouders en twee oudere zusters in Birkerød.[3] Op 20-jarige leeftijd begon ze aan de Statens Scenekunstskole (de Staatstheaterschool) in Kopenhagen. Haar televisiedebuut was in 2005 een klein rolletje in de serie Ørnen: En krimi-odyssé. Verder was ze te zien in enkele korte films. In 2007 speelde ze de rol van Roxie Hart in de musical Chicago in het Ny Teater in Kopenhagen en later hernam ze de rol in het Engels in het Cambridge Theatre in de LondenseWest End.
Sørensen speelde in 2015 mee in een aflevering van de HBO-hitserie Game of Thrones. Ze speelde de rol van Karsi, een rebellenleidster van de Wildlingen. Een jaar later kreeg ze de rol van Andy Warhols muze Ingrid in de door Mick Jagger en Martin Scorsese geproduceerde serie Vinyl. Na het eerste seizoen besloot HBO de serie echter geen vervolg te geven.
In 2022 speelde ze opnieuw haar rol van journaliste Katrine Fønsmark in Borgen (seizoen 4).
Filmografie
Film
Korte films
2006 - Tre somre
2007 - Canoe
2007 - Knus
2008 - Alliancen
2008 - Begravelsen
Speelfilms
2008 - Kandidaten - Sarah
2008 - Anja & Viktor – I medgang og modgang - Regitze
2009 - Ved verdens ende - Beate
2010 - Sandheden om mænd - Godsejerens søns kæreste