Le théâtre Sorano est inauguré en 1964 par Maurice Sarrazin, metteur en scène et comédien, dans l’ancien auditorium du musée d’histoire naturelle de Toulouse dont la façade en briques et le portique, créés par Urbain Vitry au XIXe siècle, sont inscrits aux monuments historiques.
À l’origine, ce théâtre est créé pour accueillir le Centre Dramatique National du Sud-Ouest installé au Grenier à Toulouse et fondé par Charles Dullin. La construction de ce théâtre, capable d’accueillir 560 spectateurs entre l’orchestre et le balcon est pour Maurice Sarrazin un vrai tournant dans la vie culturelle toulousaine et particulièrement pour la troupe du Grenier : « Nous n’avions vraiment pas d’endroit où travailler depuis 19 ans, et là nous avons enfin un instrument. »
En 1969, la Mairie de Toulouse décide de reprendre la gestion du théâtre en plaçant successivement Christian Schmidt et Jean Bousquet. Mais cela n’est que de courte durée puisque le Grenier de Toulouse, accompagné de Maurice Sarrazin et du théâtre La Fabrique, prennent la gestion du théâtre en 1972.
Le théâtre Sorano restera le Centre Dramatique National de Toulouse jusqu’en 1997, date de l’inauguration du Théâtre National de Toulouse.
En 2000, alors que le théâtre périclite, la municipalité nomme à nouveau Maurice Sarrazin directeur du théâtre tout en laissant à disposition la salle à Didier Carette, metteur en scène et directeur du groupe ex-Abrupto.
C’est finalement trois ans plus tard, en 2003, que ce dernier devient directeur du théâtre Sorano avec l’association Caligari Production qui prend en charge la gestion du théâtre.
2011 marque un tournant dans la vie du théâtre. La municipalité décide de créer une nouvelle structure montée en régie et composée des théâtres Sorano et Jules-Julien. Dans le cadre de cette régie, le Sorano doit proposer une programmation pluridisciplinaire avec une sensibilité notable pour les écritures d’aujourd’hui, ainsi qu’un accompagnement des artistes grâce à des compagnies associées et en résidence. Le théâtre Jules-Julien doit, quant à lui, poursuivre sa mission pour faire venir un public intergénérationnel tout en conservant une importance considérable au théâtre jeune public et au théâtre amateur.
Ghislaine Gouby devient directrice de cette régie en décembre 2011 jusqu’à la fin de son contrat en septembre 2014. Pascal Papini, acteur, metteur en scène et directeur du Conservatoire à Rayonnement Régional de Toulouse (CRR), assure jusqu’en avril 2016 la direction intérimaire de la régie.
Le 2 mai 2016, les théâtres Sorano et Jules Julien sont séparés. Sébastien Bournac, metteur en scène de la compagnie Tabula Rasa, devient le directeur du Sorano.