S'étant principalement consacré à l'écriture, il fait ses débuts dans le cinéma avec L'homme en plus (2011).
En 2010, à l'occasion des 25 ans du prix italien Premio Solinas, le Président de la République a érigé une plaque commémorative dédiée à Sorrentino car sa consécration a rendu ce prix célèbre.
Son premier roman, Ils ont tous raison, publié en 2010, a obtenu une nomination pour le prix Strega.
En 2009, son film sur Giulio Andreotti, Il Divo, a reçu 16 nominations, dont une pour le David di Donatello. L'homme politique a été joué par Toni Servillo, avec lequel Sorrentino partage une entente artistique évidente.
A présidé le Jury d'Un Certain Regard lors du Festival de Cannes 2009.
A remporté l'Oscar du Meilleur film étranger avec La Grande Bellezza.