Som historiker beskæftiger Nils Arne Sørensen sig primært med amerikaniseringsprocesser i Danmark, fortidsforbrug, politisk kulturhistorie og første verdenskrig og dens virkningshistorie i Europa.
Siden 2010 har han ledet forskeruddannelsesprogrammet ved Institut for Historie. I 1998-1999 var han Visiting Research Fellow ved European University Institute i Firenze, og i 2007-2008 Visiting Professor ved University of New Hampshire, USA. Nils Arne Sørensen er en passioneret underviser og blev i 2003 belønnet med Det Humanistiske Fakultets Undervisningspris på SDU.
Foruden Den store krig – europæernes første verdenskrig (3. rev. udgave, 2014) og Evighedernes by Rom (2019) har Sørensen bl.a. bidraget til Konfliktzonen Danmark (2018), tidsportrætbogen 1950’erne (2012) og Gads Historieleksikon (2009).
