1562 wurde Cornelis Cornelisz., der später selbst den Namen seiner Heimatstadt Haarlem anfügte, als Sohn des Tuchhändlers Cornelis Thomasz. und der Alijdt Jacobsdr. geboren. Während der spanischen Besetzung von 1572 bis 1577 verließen die Eltern Haarlem und überließen das Kind dem Maler Pieter Pietersz., der später sein Lehrer wurde. Eine Reise nach Frankreich 1579 brach Cornelisz. bereits in Rouen ab, als dort die Pest ausbrach. Er ging nach Antwerpen und arbeitete dort ein Jahr mit Gillis Coignet. Um 1580 kehrte er nach Haarlem zurück, wo sich bereits Hendrick Goltzius niedergelassen hatte. Zusammen mit Karel van Mander, der seit 1583 in Haarlem lebte, begründeten sie in den folgenden Jahren eine „Akademie" und machten damit die Stadt zu einem wichtigen künstlerischen Zentrum. 1583 erhielt Cornelisz. den ersten Auftrag für ein Schützenstück. Das setzte voraus, dass er bereits zu diesem Zeitpunkt Mitglied in der St. Lukasgilde war. Zwischen 1590 und 1593 führte Cornelisz. verschiedene Aufträge für den Prinsenhof aus. Im Jahr 1600 heiratete der Maler die Bürgermeistertochter Maritge Arentsdr. Deyman, die sechs Jahre später starb. 1605 erbte er ein Drittel des schwiegerväterlichen Vermögens. Aus einer illegitimen Verbindung mit Margriet Pouwelsdr entstammt eine Tochter, die 1611 geboren wurde. Wiederholt übernahm Cornelisz. wichtige gesellschaftliche Ämter. So war er von 1613 bis 1618 einer der Regenten des Oude Mannenhuis und von 1626 bis 1629 Mitglied der katholischen Jakobschützen. 1631 zählte er zu den Unterzeichnern einer neuen Satzung für die St. Lukasgilde. Am 11. November 1638 verstarb der Maler in Haarlem. Zu seinen Schülern zählen Gerrit Pietersz. und Cornelis Jacobsz. Delff. Sein Enkel Cornelis Bega wurde später Genremaler.
Sein Frühwerk zeigt noch flämische Einflüsse, die Ende der 1580er Jahre von dem durch Hendrick Goltzius und Bartholomeus Spranger geprägten manieristischen Stil verdrängt wurden.
