Sørensen had geen plannen voor [[WorldFormule SeriesRenault by3.5 RenaultSeries 2012|2012]], totdat [[Charouz Racing System|Lotus]] hem een test aanbood in de [[Formule 3.5 V8|Formule Renault 3.5 Series]], waarin hij een goede indruk maakte en een racezitje bemachtigde naast Stanaway. In de eerste race op [[Spa-Francorchamps]] behaalde hij zijn eerste overwinning, nadat hij al vanaf leidende positie uitviel in de tweede race op het [[Motorland Aragón]]. Op [[Silverstone (circuit)|Silverstone]] raakte hij een andere potentiële overwinning kwijt na een lekke band in de laatste ronde. Hij eindigde het seizoen uiteindelijk op de zesde plaats met 122 punten. Ook [[Nick Yelloly]] had 122 punten, maar Yelloly had twee overwinningen en Sørensen één, waardoor Yelloly als vijfde eindigde.
In [[WorldFormule SeriesRenault by3.5 RenaultSeries 2013|2013]] keerde Sørensen terug in het Renault Driver Development Programme, dat inmiddels, net zoals het Formule 1-team, van naam was veranderd en nu Lotus F1 Junior Team heet. Hierdoor komt hij in 2013 opnieuw uit in de Formule Renault 3.5 Series voor Lotus, met als teamgenoot mede-Lotus F1 Junior [[Marlon Stöckinger]]. Afgezien van twee pole positions en twee overwinningen op de [[Red Bull Ring]] had het seizoen geen hoogtepunten en eindigde hij als zevende in het kampioenschap met 113 punten.
In [[WorldFormule SeriesRenault by3.5 RenaultSeries 2014|2014]] stapt Sørensen over naar het team [[Tech 1 Racing]] in de Formule Renault 3.5 Series.
