В 1892 году Сёренсен женился на Anna Louise Willumsen (1870 г.р.), от которой у него было четверо детей: Inge, Viggo, Arthur и Annelise. Вторым браком он сочетался в 1918 году с Margrethe H?yrup (1884 г.р.), своей ассистенткой по работе в лаборатории Carlsberg.
С 1901 по 1938 годы Сёренсен — руководитель престижной химико-физиологической лаборатории Карлсберга в Копенгагене. Лаборатория была создана при пивоваренном заводе Carlsberg и занималась совершенствованием технологии производства пива. Работая в лаборатории, Сёренсен выполнил ряд пионерских исследований по синтезу аминокислот, а также по изучению свойств белков и энзимов.
RCH(NH2)COOH + HCHO + KOH ? RCH(NHCH2OH)COOK + H2O .
Исследуя реакции ферментации, Сёренсен разработал стандартные методы определения концентрации ионов водорода электрометрическим и колориметрическим способами. Им были предложены стандартные буферные растворы для калибровки pH-метров и химические индикаторы рН, исследовано влияние рН среды на активность ферментов. Сёренсен одним из первых применил для измерения кислотности электрохимические электроды. Он использовал два электрода: один – платиновый, помещённый в водородную струю, другой – каломельный. Этот метод давал точные результаты, но сложность аппаратуры мешала внедрению его в практику.
Свои исследования Сёренсен опубликовал в 1909 году в двух статьях одновременно в Германии и во Франции. В них он впервые использовал водородный показатель раствора рН, где p – начальная буква слов Potenz (немец.) и puissance (фр.), которые переводят на английский как power или potency, а на русский – показатель. Соответственно используются словосочетания puissance d'Hydrogen, power of Hydrogen, potency of Hydrogen, pondus hydrogenii и др. В дальнейшем, по-видимому, для упрощения типографского набора, символ рН был заменён на рН.
Введенная С.П.Л. Сёренсеном шкала рН и созданные на ее основе pH-метры применяются сегодня для измерения кислотности в самых разнообразных областях: в атомной энергетике, агрономии, мясо-молочной, хлебопекарной промышленности, в научных исследованиях. Для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта выполняется измерение кислотности непосредственно в пищеводе, желудке и(или) двенадцатиперстной кишке. Для этого в орган вводится специальный рН-зонд, сама процедура называется внутрижелудочной рН-метрией, а приборы для таких исследований — ацидогастрометрами.