Первого успеха Соррентино достиг как сценарист, получив в 1997 году премию имени Солинаса за сценарий "Dragoncelli di fuoco".
В полном метре дебютировал картиной «Лишний человек» в 2001 году. Фильм участвовал в конкурсе Венецианского кинофестиваля и снискал международное признание, а его создатель удостоился приза итальянских кинокритиков «Серебряная лента» как лучший режиссёр-дебютант.
Через три года с мелодраматической лентой «Последствия любви» (2004), снятой по собственному сценарию, Соррентино представлял Италию уже в основном конкурсе Каннского кинофестиваля. На родине «Последствия любви» были отмечены пятью национальными кинонаградами «Давид ди Донателло», в том числе в категориях «Лучший фильм», «Лучшая режиссура» и «Лучший сценарий».
В 2006 году Соррентино появился во второстепенной роли в картине своего соотечественника Нанни Моретти «Кайман» и поставил по своему сценарию драматический фильм «Друг семьи», с которым вновь участвовал в главном конкурсе Канн. Первую каннскую награду — приз жюри — режиссёр сумел завоевать со своим чёрвертым фильмом «Изумительный» (2008), в основу которого легла биография итальянского политика Джулио Андреотти. Председателем фестивального жюри был американский актёр Шон Пенн. Его Соррентино пригласил в свою следующую и первую англоязычную картину в карьере «Где бы ты ни был» (2011) — драму о рок-музыканте, настигнутом прошлым своего отца. Фильм традиционно был отобран в основную программу Каннского киносмотра. Как и последняя на сегодня лента режиссёра — воспевающая Рим «Великая красота» (2013), своеобразный парафраз феллиниевской «Сладкой жизни».