Nació en Hulst cerca de Amberes, actualmente en la provincia holandesa de Zelanda. Se sabe poco de su infancia; sin embargo, Cornelis y sus hermanos más jóvenes, Paul y Jan estudiaron con el poco conocido pintor David Remeeus (1559–1626). Su hermana Margaretha se casó con Frans Snyders, mientras que el propio Cornelis se casó con la medio hermana de Jan Wildens, Susanna Cock. Aunque tanto Paul de Vos como Snyders eran animaliers, o pintores de animales, y Wildens fue conocido por sus paisajes, Cornelis no cultivó ninguno de estos géneros. En lugar de ello, se dedicó a escenas mitológicas, bíblicas y de historia, así como bodegones y, a finales de los años veinte del siglo XVII, algunas monumentales obras de género.
Sin embargo, en lo que más destacó De Vos fue como pintor de retratos individuales y de grupo.Retrata a la burguesía de Amberes con una elegancia y demostrando una gran capacidad de observación. En particular, representa muy bien a los niños, «por su frescura y espontaneidad, por la expresión despierta de los rostros y la atrayente coloración».
Cornelis de Vos, Las hijas del pintor, h. 1630–40, 78 × 92 cm, óleo sobre lienzo, Gemäldegalerie de Berlín.Además, cuando se convirtió en ciudadano de Amberes en 1616 indicó que su ocupación era la de marchante de arte, lo que evidencia que durante algún tiempo se dedicó al comercio de obras de arte. De Vos se unió a la guilda de San Lucas (gremio de pintores) en 1608 a la edad de 24 años, sirviendo posteriormente como decano en 1628.
Su estilo sigue de cerca el de Antoon van Dyck y, en menor medida, el de Pedro Pablo Rubens. Sin embargo, De Vos trabajó con frecuencia como un colaborador de Rubens. Alrededor de 1617 pintó dos tablas, la Natividad y la Presentación en el templo, para unirse a otras trece realizadas por pintores locales, incluyendo Rubens — quien supervisó el proyecto—, Van Dyck, y Jacob Jordaens, en el «Ciclo del misterio del rosario», para la iglesia de San Pablo de Amberes (la serie culminó con la obra de Caravaggio Virgen del Rosario, que se colocó en la iglesia en 1620).En 1635, De Vos ayudó a Rubens con la gozosa entrada del Cardenal Infante don Fernando, un proyecto para el que pintó doce retratos reales según dibujos de Rubens. Entre 1636 y 1638 trabajó de nuevo para Rubens, junto con su hermano Pablo en la decoración de la Torre de la Parada, un pabellón de caza del rey Felipe IV cerca de Madrid. Su obra es reconocible gracias a su intenso color y poderosas expresiones faciales. De Vos murió en Amberes, en cuya catedral fue enterrado.
Entre sus alumnos estuvieron Simon de Vos (1603-76), con quien no tiene parentesco.
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