Cornelis van Eesteren werd geboren in Alblasserdam als oudste zoon van Balten van Eesteren, directeur van aannemersbedrijf Boele & Van Eesteren. Van 1914 tot 1917 studeerde hij aan de Academie van Beeldende Kunsten en Technische Wetenschappen in Rotterdam. Daar kwam hij op het idee om architect te worden, in plaats van zijn vader als aannemer op te volgen. Hij volgde daarom een avondopleiding aan de afdeling Voortgezet en Hooger Bouwkunst Onderricht (VHBO) van de Rijksakademie van Beeldende Kunsten in Amsterdam.
Vanaf 1929 tot 1959 was Van Eesteren hoofd van de afdeling Stadsontwikkeling van de Dienst der Publieke Werken van de gemeente Amsterdam. Samen met Th. K. van Lohuizen werkte hij aan het Algemeen Uitbreidingsplan (AUP) van Amsterdam uit 1934. Dit werd de basis voor de stadsuitbreidingen in de volgende decennia, zoals de Westelijke Tuinsteden en Buitenveldert.
Verder was hij van november 1930 tot 1947 voorzitter van het Congrès Internationaux d'Architecture Moderne (CIAM), een groot internationaal platform van modernistische architecten en stedenbouwkundigen.
Van 1948 tot 1967 was Van Eesteren buitengewoon hoogleraar stedenbouwkunde aan de Technische Hogeschool Delft.
Van Eesteren was zeer betrokken bij de Zuiderzeewerken. Samen met andere modernisten, zoals Aldo van Eyck, Gerrit Rietveld en de tuinarchitecte Mien Ruys, maakte hij in de jaren veertig het ontwerp voor het dorp Nagele in de Noordoostpolder.
In 1959 kreeg Van Eesteren van de regering de opdracht een ontwerp te maken voor Lelystad, de beoogde hoofdstad van de IJsselmeerpolders. Het plan van Van Eesteren werd in 1965 voltooid, maar werd niet officieel aanvaard door de regering.
Hoewel Van Eesteren zeer teleurgesteld was over de afwijzing van zijn plan, verloor hij zijn bijzondere interesse voor het Zuiderzeeproject niet. Hij liet zich ook herhaaldelijk in de polders zien.
Van Eesteren was de leermeester van Teun Koolhaas, één van de belangrijkste ontwerpers van Almere.
