Cornells van Poelenburch wurde um den Jahreswechsel 1594/95 als Sohn von Simon van Poelenburch, Kanoniker am Domkapitel, in Utrecht geboren. Etwa um 1611 nahm Van Poelenburch seine Lehre bei Abraham Bloemaert auf. 1617 ist seine Anwesenheit in Italien dokumentiert. In Rom zählte er zu den Gründungsmitgliedern der „bentvueghels“ und erhielt den Beinamen „Satyr". Zu Beginn der 1620er Jahre stand Van Poelenburch in den Diensten des Großherzogs Cosimo II. von Medici in Florenz, wo er Jacques Callot kennenlernte. Dennoch bezeugen seine datierten Zeichnungen mit römischen Motiven, dass er während dieser Zeit seinen Aufenthaltsort in Italien häufiger wechselte. Um 1625 kehrte er in seine Heimatstadt zurück und erhielt dort bald prominente Aufträge: Im Frühling 1627 erwarb Utrecht als einer der sieben Staaten ein „Götterbankett" als Geschenk für Amalia von Solms, Ehefrau des Statthalters Frederik Hendrik. Am 30. Mai 1629 heiratete Van Poelenburch Jacomina van Steenre und erwarb im folgenden Jahr das Bürgerrecht. 1631 besuchte er Paris. In den folgenden Jahren war Van Poelenburch nicht nur für den Statthalter der Niederlande in Den Haag tätig, sondern wurde 1637 zum Hofmaler des englischen Königs Karl I. benannt. Bis 1641 lebte er mit Unterbrechungen in London. 1642 erwarb er vom Erbe seines Schwiegervaters in Utrecht zwei große Häuser, die Platz zum Einrichten einer Werkstatt boten. In der Utrechter St. Lukasgilde übernahm Van Poelenburch wiederholt das Amt des „hoofdmans“ und des Dekans. Im Juli 1667 starb er in seiner Heimatstadt und wurde in der Kapelle des Klosters Maria Magdalena begraben.
Zu seinen Schülern zählt der 1642 wohl in Utrecht geborene Jan van Haensbergen. Aus einem anlässlich seiner zweiten Heirat 1679 erstellten Inventar geht hervor, dass er verschiedene Gemälde von Van Poelenburch - sowohl Originale als auch Kopien - besaß.
