Sørensen est né à Fryksände, en Suède, de Severin Sørensen et Helene Høibraaten. Il a épousé Gudrun Klewe et est le père du physicien Sven Oluf Sørensen. Il était le beau-frère du compositeur Halfdan Cleve[1].
Sørensen étudie le dessin à l'Académie nationale norvégienne de l'artisanat et de l'industrie artistique de Kristiania en 1904 et de 1906 à 1908[1]. Il étudie avec Kristian Zahrtmann à Copenhague de 1904 à 1905, et se passionne pour les impressionnistes français lorsqu'il étudie à l'Académie Colarossi à Paris à l'automne 1905[2]. Il étudie la peinture avec Henri Matisse à Paris de 1908 à 1910. Le tableau Svartbækken de 1908 marque sa percée. Son tableau Variétéartist de 1910 a fait les gros titres et a été acheté par le peintre et collectionneur d'art suédois, le prince Eugén, duc de Närke[1]. Il est représenté à la Galerie nationale avec plusieurs tableaux, ainsi que dans d'autres musées scandinaves, et a décoré un grand mur de l'hôtel de ville d'Oslo[3]. En 1939, le gouvernement norvégien a fait don à la Société des Nations de son tableau mural emblématique Le rêve de paix, qui se trouve aujourd'hui à la bibliothèque de l'Office des Nations unies à Genève.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, il est détenu au camp de concentration de Grini pendant une semaine, en janvier-[5]. Il est membre de l'Association norvégienne pour les droits de la femme[6].
