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).

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).

[3]​ 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.

Inicialmente pintó principalmente retratos y escenas mitológicas, bíblicas e históricas.

En su representación de niños, fue un maestro en expresar sus personalidades y su energía lúdica.

[7]​ Produjo algunos retratos sorprendentes e íntimos de sus propios hijos.

[10]​ En el retrato de sus dos hijos mayores, Magdalena y Juan Bautista, de Vos no los retrata desde la distancia sino acercándolos al espacio del espectador.

Magdalena mira al espectador por encima del hombro y parece invitarlo a pasar mientras Juan Bautista se inclina hacia adelante con la cabeza inclinada y también mira al espectador.

En el retrato de sus dos hijos mayores, Magdalena sostiene cerezas en la mano derecha y un melocotón en la izquierda.

Los logros de sus modelos se muestran a través de su lujosa vestimenta y los interiores lujosamente decorados, mientras que los propios modelos manifiestan una confianza sólida, amable y tranquila.