Han har spillet 101 A-landskampe og deltaget i fire slutrunder: [[EM i fodbold 2000|EM 2000]], [[VM i fodbold 2002|VM 2002]], [[EM i fodbold 2004|EM 2004]] og [[VM i fodbold 2010|VM 2010]]. Han var oprindeligt udtaget til [[EM i fodbold 2012|EM 2012]], men en rygskade betød, at han blev valgt fra med mindre end to uger til slutrundens start.<ref>{{cite web | url = http://www.dbu.dk/Nyheder/2012/Maj/sorensen_ude_af_truppen.aspx | title = Thomas Sørensen ude af EM | date = 2012-05-29 | author = Lars Berendt | publisher = DBU | access-date = 29. maj 2012 | archive-date = 31. maj 2012 | archive-url = https://web.archive.org/web/20120531121142/http://www.dbu.dk/Nyheder/2012/Maj/sorensen_ude_af_truppen.aspx | url-status = dead }}</ref> I sommeren 2012 valgte han at stoppe på landsholdet.<ref>[http://www.bold.dk/nyt/Thomas-S-traekker-stikket-paa-landsholdet Thomas S. trækker stikket på landsholdet] ''bold.dk'', 7. august 2012</ref><ref>[http://www.dbu.dk/Nyheder/2012/August/Thomas_Soerensen_stopper_paa_landsholdet.aspx Thomas Sørensen slutter på landsholdet] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20120815084055/http://www.dbu.dk/Nyheder/2012/August/Thomas_Soerensen_stopper_paa_landsholdet.aspx |date=15. august 2012 }} DBU, 7. august 2012</ref>
Levende_personer