Активно участвовал в экспедициях с целью изучения грибов. Первой из таких поездок была в 1869 году в окрестности города Харькова, в города Белгород и Хорошев, во время которых он описал 43 вида грибов. В 1872 году участвовал в экспедиции на Северный Урал. В 1878 году по приглашению Великого князя Николая Константиновича был Кара-Кумах, в том же году осуществил поездку в Южную Францию. В 1879 году в Среднюю Азию вместе с его высочеством, где они посетили Ташкент, Самарканд, Бухару, Петро-Александровск откуда через Кызылкумы, Казалинск, Оренбург вернулся в Казань. За это путешествие Н. В. Сорокин был высочайше награждён бриллиантовым перстнем.

В 1884 г. Николай Васильевич осуществил поездку на русский Тянь-Шань; на основании отчёта о результатах поездки был избран действительным членом Русского Географического Общества и награждён серебряной медалью. В 1890 г. на Кавказе исследовал болезни винограда. Эту работу («О некоторых болезнях винограда и других растений Кавказского края») упоминает Ячевский Артур Артурович в своем капитальном труде «Основы микологии». В 1893 году Сорокин осуществил вторую поездку на Северный Урал, в 1901 — четвёртый раз посетил Среднюю Азию (в том числе Ашхабад и Кушку (теперь Серхетабат). В 1902 г. посетил северо-западный берег озера Байкал.