اولین فیلم سورنتینو به عنوان فیلمنامه نویس، «گرد و خاک در ناپل» در 1998 به نمایش درآمد. او در ادامه  شروع به کارگردانی چند فیلم کوتاه مثل «عشق حد و مرزی ندارد» در سال 1998 و شب طولانی در 2001 کرد. اولین فیلم بلندش «One Man Up» است که جایزه روبان نقره ای را برای بهترین کارگردان جوان از آن خود کرد.

او در سال 2004 با تریلر صاحب سبک خود «تاوان عشق» یا «پیامدهای عشق» در جامعه بین المللی به رسمیت شناخته شد. این فیلم که به بررسی طرز تفکر یک تاجر تنها که بازیچه مافیا شده می ­پردازد، جوایز بسیاری کسب کرد و برای نخل طلای جشنواره فیلم کن در 2004 نیز نامرد شد.

فیلم بعدی سورنتینو، «دوست خانوادگی» در جشنواره فیلم کن در ماه مه 2006 و در جشنواره فیلم لندن در اکتبر 2006 نمایش داده شد. این فلیم داستان یک رباخوار بدجنس هفتاد ساله را بازگو می کند که تعلق خاطر شدید به دختر زیبای یکی از مشتریانش دارد. سورنتینو اولین تجربه بازیگری­ اش را با یک نمایش برجسته در فیلم نانی مورتی کیمن The Caiman (Il caimano), داشت.

فیلم بعدی سورنتینو «ستاره» یک فیلم زندگینامه ای دراماتیزه در مورد جولیو اندروتی یک سیاستمدار ایتالیایی جنجالی است. فیلم که جایزه هیئت داوران را در جشنواره فیلم کن ربود، شاهد پیوند دوباره سورنتینو با ستاره فیلم «تاوان عشق»، تونی سرویلو که بخشی از زندگی اندروتی را بازی می­ کند، است. در ژانویه 2009، سورنتینو بر روی فیلمنامه ­ای برای نسخه­ ای از فیلم نیکولو آمانیتی به نام  Steal You Away کار کرد.

«باید همین جا باشد»، اولین تجربه فیلم انگلیسی زبان این فیلمساز ایتالیایی را چشمگیر کرد. موضوع اصلی فیلم حول یک ستاره راک ثروتمند میانسال که توسط شان پن برنده 2 اسکار بازی شده است، متمرکز می­ شود. کسی که در دوران بازنشستگی ­اش دلزده می­ شود و جستجو برای یافتن نگهبان یک اردوگاه آلمانی جایی که پدرش در آنجا زندانی بود را به عهده می ­گیرد. کسی که اکنون مخفیانه در ایالات متحده زندگی می ­کند. این فیلم مشترکا توسط سورنتینو و آمبرتو کونتارلو نوشته شده است و برای نخستین بار در رقابت جشنواره کن در 2011 به نمایش درآمد.

«زیبایی بزرگ» فیلم سال 2013 او، برای نخل طلای جشنواره فیلم کن 2013 نامزد شد. همین فیلم تمجیدهای متعددی در جوایز فیلم اروپا شامل بهترین کارگردانی برای سورنتینو به همراه داشت.