En août 2013, Nicoline Sørensen rejoint le club suédois du FC Rosengård. Elle obtient un contrat professionnel avant la saison 2014[2] et fait ensuite dix apparitions en Damallsvenskan. En février 2015, la joueuse retourne au Danemark pour jouer au Brøndby IF afin d'avoir plus de temps de jeu et pour reprendre ses études[3]. En juillet 2017, il est annoncé que Nicoline Sørensen ferait son retour en Damallsvenskan pour jouer pour les champions en titre, le Linköpings FC[4].
En juillet 2020, elle quitte Brøndby pour s'installer en Angleterre en signant un contrat de deux ans avec l'Everton F.C. en Super League féminine[5].
Après avoir montré une forme impressionnante avec Brøndby, Nicoline Sørensen est sélectionnée pour faire partie de l'équipe nationale danoise pour le Tournoi international Yongchuan en Chine en octobre 2016. Elle remplace Nadia Nadim, blessée[7]. En 2017, elle fait partie de l'équipe danoise de l'Euro féminin de 2017.
↑(da) Malte Nørgaard, « PORTRÆT Brøndby-komet inden Champions League: Jeg drømmer om at blive en af Europas bedste », DR (broadcaster), (lire en ligne, consulté le )