Als ältester Sohn des Schuhflickers Joseph Jansz. van Goyen und Geertgen Dircxdr. van Eyk wurde Jan van Goyen am 13. Januar 1596 in Leiden geboren. Von 1606 bis 1618 ging er in Leiden bei den Malern Isaac van Swanenburgh und Jan de Man sowie beim Glasmaler Clock in die Lehre, außerdem bei Willem Gerritsz. in Hoorn. Seine Ausbildung schloss er bei Esaias van de Velde in Haarlem ab. Am 5. August 1618 heiratete er Annetje Willemsdr. van Raelst in Leiden, wo er in den folgenden Jahren lebte. Am 13. März 1634 erwarb Van Goyen das Bürgerrecht von Den Haag, wohin er etwa zwei Jahre zuvor gezogen war. Offenbar war Van Goyen mittlerweile recht wohlhabend, denn neben einem Haus an der Veerkade, das er am 13. März 1635 erwarb, kaufte Van Goyen noch weitere Grundstücke und profitierte mit Spekulationen vom schnellen Wachstum der Stadt. Weitere Einkünfte erzielte er mit Wohnungen, die er auf seinen Grundstücken erbaute. Allerdings verschuldete er sich durch die Spekulation mit Tulpenzwiebeln immer wieder, weshalb Van Goyen gezwungen war, sein Haus an der Singelgracht, der heutigen Dunne Bierkade, an Pieter Schoeff zu vermieten. Dieser war der Vater des Landschaftsmalers Johannes Schoeff, mit dem Van Goyen am 8. April 1647 insgesamt 191 Gemälde, einige davon eigenhändig, aus seinem Besitz versteigerte. Enge Verbindungen zu Malerkollegen ergaben sich nicht nur durch Mietverhältnisse (so mietete der Tiermaler Paulus Potter von 1649 bis 1652 ein Haus von Van Goyen), sondern auch durch die Ehen seiner Töchter. Im April 1640 heiratete Maria den damals in der Werkstatt ihres Vaters tätigen Stillebenmaler Jacques de Claeuw, und ein halbes Jahr später ließ sich Margriet mit dem Genremaler Jan Steen trauen. 1638 übernahm Van Goyen das Amt eines Hauptmanns der Haager Malergilde, das er zwei Jahre später erneut innehatte. 1648 reiste er nach Antwerpen und Brüssel sowie im Sommer 1650 den Rhein entlang bis nach Kleve. 1651 malte Van Goyen eine Panoramaansicht von Den Haag, die für das Rathaus bestimmt war. Dennoch blieben seine finanziellen Verhältnisse schwierig: Noch im selben Jahr bat er um Zahlungsaufschub, zudem organisierte er 1652 eine Gemäldeauktion in seinem Haus, um Schulden zu begleichen. Eine weitere Versteigerung von Gemälden und graphischen Werken fand am 13. April 1654 statt. Am 27. April 1656 starb der Maler in Den Haag und wurde in der Grote Kerk begraben. Die von ihm hinterlassenen Schulden wurden in den folgenden Jahren durch die Versteigerung seiner Gemälde und Möbel sowie seiner fünf Häuser und Grundstücke getilgt.
Als einer der Hauptvertreter der monochromen Landschaften leistete Jan van Goyen einen wichtigen Beitrag zur „realistischen" Auffassung der holländischen Landschaftsmalerei. Seine zahlreichen, mit raschem, stets summarischem Strich vor Ort festgehaltenen Skizzen dienten als Motivfundus für seine Gemälde. Seine außergewöhnliche Produktivität ging wohl auf seine finanziellen Schwierigkeiten zurück. Von seinen Schülern sind nur zwei bekannt, Nicolaes Berchem und Adriaen van der Cabel, dessen Werk deutlich den Einfluss seines Lehrers zeigt.