Theo Sørensen var misjonær og virket hovedsakelig ved grensen til Tibet i den kinesiske provinsen Sichuan. Han samlet også inn tibetanske håndskrifter, og hans samling dannet grunnlaget for Universitetsbiblioteket i Oslos samling av tibetansk litteratur.
Sørensen kom fra beskjedne kår i Kristiansand. 1891 opplevde han en religiøs omvendelse, meldte seg ut av statskirken og sluttet seg til Frelsesarmeen. Året etter reiste han til Storbritannia, der han lot seg gjendøpe og gikk på bibelskole i to år. 1894 drog han til India med det interkonfesjonelle misjonsforetaket The Tibetan Pioneer Mission. Han slo seg ned i Darjeeling og Kalimpong (i nåværende West Bengal), på grensen til Tibet, for å studere tibetansk språk og religion.
De britiske myndighetene tillot ikke misjonærer å reise inn i Tibet, og 1896 flyttet Sørensen derfor til Kina. Der studerte han kinesisk i to år i Chengdu og ble 1899 sendt av det britiske misjonsselskapet China Inland Mission til grensebyen Tatsienlu (nå Kangding; tibetansk Datsendo) i provinsen Sichuan, et knutepunkt for handelen med Tibet. I Kangding ble han frem til 1923.
1904 giftet han seg med Cissi Rasmussen, som han hadde kjent siden tiden i Frelsesarmeen i Kristiansand. De fikk fem barn, hvorav tre døde i Kina.
Mye av Sørensens virksomhet bestod i å trykke og distribuere katekismer og andre småskrifter på tibetansk. Selv om han ønsket å reise inn i de sentrale delene av Tibet, som ble kontrollert av den tibetanske regjering i Lhasa, lyktes ikke dette; likevel gjennomførte han flere lange reiser i Øst-Tibet 1909, 1918 og 1922. For sine rapporter fra disse reisene ble han 1922 Fellow of the Royal Anthropological Institute i London og 1923 Fellow of the Royal Geographical Society samme sted.
Etter et opphold i Norge 1923–25 etablerte ekteparet Sørensen seg i Beijing, der de ble frem til 1936. Sørensen hadde 1924 trådt inn igjen i Den norske kirke og ble ordinert som misjonsprest av biskop Bernt Støylen samme år. I Beijing opprettet Sørensen et tibetansk trykkeri; det produserte store mengder religiøse småskrifter som han sendte inn i Tibet. 1936 vendte han og Cissi tilbake til Norge og slo seg etter en tid ned i Kristiansand.
Selv om både Sørensen og hans ektefelle viste stor offervilje og utholdenhet i sitt virke som misjonærer, oppnådde de ytterst beskjedne synlige resultater blant tibetanerne. Men Sørensen nøt stor respekt blant tibetanerne, også blant munkene, for sitt åpne og vennlige vesen og sine gode kunnskaper i tibetansk språk.
De betydeligste følgene av Sørensens opphold i de tibetanske grensetraktene var nok likevel hans systematiske innsamling av tibetansk litteratur, bl.a. en komplett samling (332 bind) av den tibetanske buddhismens kanoniske skrifter, som han overlot til Universitetets etnografiske museum 1923. 1938 ble Sørensens boksamling overtatt av Universitetsbiblioteket i Oslo. Sørensen ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1953.