Als Sohn des berühmten Stilllebenmalers Jan Davidsz. de Heem wird Cornelis de Heem 1631 in Leiden geboren. Naheliegend, dass der Vater die erste Ausbildung des Cornelis de Heem besorgt. Im väterlichen Atelier in Antwerpen ist Cornelis de Heem wohl bereits gegen die Mitte des Jahrhunderts als ausgelernter Maler tätig. Seine Meisterwerke malt Cornelis de Heem in diesen jungen Jahren, als er sich in der Werkstatt des Vaters frei entfalten kann. Schon seine frühesten Werke, freilich ebenfalls Stillleben (datierte Bilder ab 1654), sind von herausragender Qualität und stehen den väterlichen Arbeiten kaum nach.
1660 nimmt die St. Lukas-Gilde Antwerpens Cornelis de Heem als selbstständigen Maler auf. In Antwerpen bleibt er jedoch nicht auf Dauer: 1667 ist Cornelis de Heem in der zweiten Jahreshälfte beim mittlerweile wieder in Utrecht lebenden Vater bezeugt, danach verliert sich die Spur des Malers bis 1676, als er, Gatte einer Maria van Beusecom, in IJsselstein nahe Utrecht geführt wird. Von dort siedelt er nach Den Haag über und bleibt dort mindestens bis 1684.
Als selbstständiger Maler muss sich Cornelis de Heem stärker den Geboten des Marktes fügen als in der Werkstatt des Vaters. Cornelis de Heem muss die Produktion beschleunigen: Seine Stillleben, die er meist auf Leinwand malt, entstehen nun auf kleineren Formaten und erscheinen gröber in der Ausführung. Cornelis de Heem widmet sich besonders häufig dem Früchtestillleben, manchmal ergänzt von Blumen, Lebensmitteln (Hummer, Austern, kleine Brote) und Tischgerät. Seine Malereien, zu denen auch Girlanden, Festons und Bouquets mit Blumen und Früchten zählen, zeigen stets kraftvolle Farbigkeit, die im Frühwerk heller als in späteren Arbeiten ausfällt. Detailrealismus gelingt Cornelis de Heem mit verblüffend leichtem, malerisch-offenem Pinselstrich, der sich ab den 1670er Jahren verfestigt.
1691/92 kehrt Cornelis de Heem von IJsselstein nach Antwerpen zurück, wo er 1695 verstirbt.