Согласно житию, Корнилий родился в боярской семье в городе Пскове. Обучался в Мирожском монастыре, где приобрёл склонность к духовной жизни и монашеству, однако после обучения он вернулся домой. Окончательное решение о монашеском постриге Корнилий принял после поездки в недавно образованный Псково-Печерский монастырь.
Приняв не ранее 1523 года пострижение, Корнилий приобрел уважение братии своим аскетизмом и в возрасте 28 лет в 1529 году он был избран игуменом монастыря. За период его игуменства число насельников монастыря выросло с 15 до 200 человек (такого количества братии не было при других настоятелях после Корнилия). Под управлением Корнилия началось активное развитие монастыря. C 1547 года монастырь стал псковским летописным центром, появилась иконописная (изначально монахи обучались иконописи в Мирожском монастыре) и гончарная мастерские, начали лить колокола.
Трудами Корнилия в первой половине XVI века в монастыре была создана книжно-литературная школа, занимавшаяся сбором рукописей богослужебного, светского и житийного характера. Для пополнения библиотеки использовались не только русские рукописи, так в 1561 году с Афона в монастырь было доставлено «Уложение о ектеньях».
Во время Ливонской войны проявилась миссионерская деятельность Корнилия: в отвоеванных местностях основывал православные храмы, оказывал помощь пострадавшим, имена погибших в войне заносились в монастырский синодник для поминовения. Предание гласит, что в 1560 году после богослужения праздника Успения Пресвятой Богородицы Корнилий послал русским войскам, осаждавшим город Феллин, просфору и святую воду и в ту же ночь город загорелся и был взят.
При Корнилии были проведены многочисленные строительные работы по расширению монастыря: прокопаны далее монастырские пещеры, перенесена за монастырскую ограду на приезжий монастырский двор в Печерском посаде деревянная церковь Сорока мучеников Севастийских, а в 1541 году на её месте построена каменная церковь в честь Благовещения Пресвятой Богородицы; в 1559 году построен храм Покрова Пресвятой Богородицы. В 1558—1565 годах Корнилий по указанию царя Ивана Грозного окружил монастырь мощной каменной стеной с девятью башнями и тремя воротами (над главными воротами была построена каменная церковь во имя Николая Чудотворца). Кроме построек в самом монастыре Корнилием была построена церковь Одигитрии на Печорском подворье в Пскове (1538 год), а также Троицкая церковь и церковь Рождества Христова в окрестных монастырских сёлах.
Начитанность и образованность Корнилия отмечали уже его современники. Новгородский архиепископ Феодосий писал о нём: «зане же, сыну, сам Божественное писание в конец веси». К литературному наследию преподобного Корнилия относят:
В Повести Корнилий рассказывает об истории открытия пещер и основании монастыря, о первом иноке Ионе, о постройке «ветхого» монастыря при игумене Мисаиле, а также подробности монастырского быта того времени. Составление Повести относится к 1531 году;
В память о преподобном Корнилии ежегодно в Печорах проводятся Корнилиевские православные образовательные чтения.
Корнилий был убит царём Иваном IV во время его похода на Псков. Согласно третьей Псковской летописи Корнилий в 1570 году во главе псковского духовенства встретил Ивана Грозного во время его приезда в Псков и служил молебен в Троицком соборе. После этого, встречая царя уже в своём монастыре, он был убит.
К более ранним источникам, сообщающих об убийстве Корнилия Иваном Грозным относятся:
Причиной убийства Корнилия Иваном Грозным считают его предполагаемую поддержку опального князя Курбского, с которым Псково-Печерский монастырь состоял в переписке (сохранилось три послания Курбского в монастырь, написанные в 1563—1564 годы, до и после его побега в Литву).
Согласно летописи, хранящейся в Троице-Сергиевой лавре сразу после убийства царь раскаялся и на своих руках перенёс тело Корнилия в монастырь. Монастырская дорожка к церкви Успения, на которую капала кровь преподобного, получила название «Кровавый путь».
Тело Корнилия было погребено в монастырских пещерах. В 1690 году по указанию митрополита Псковского и Изборского Маркелла мощи, ставшие почитаться целебоносными, были перенесены в соборный храм Успения Пресвятой Богородицы и положены в новом гробе в стене храма. Ко дню открытия мощей преподобного относят составление ему церковной службы. Рака для мощей преподобного неоднократно обновлялась: 17 декабря 1872 года мощи были переложены в медно-посеребренную раку, а в 1892 году переложены в более богато украшенную раку.