1931. október 19-én született Richard Thomas Archibald és Olive Cornwell fiaként a dorseti Poole-ban, Angliában. Három testvére van, az idősebb Anthony Cornwell, nyugdíjazott hirdetési igazgató, az egyik fiatalabb féltestvére Charlotte Cornwell színésznő, a másik Rupert Cornwell, az Independent washingtoni irodájának egykori vezetője. Nehéz gyerekkora volt: az édesanyja ötéves korában elhagyta a családot (majd tizennyolc évvel később visszatért), az édesapját pedig biztosítási csalásért zárták börtönbe, és a későbbiekben is sokszor került összetűzésbe a törvénnyel.
Cornwellnek az édesapjával való rossz viszonya többször visszaköszön a regényeiben is. Például az 1986-os The Perfect Spyban róla mintázta az egyik karaktert, illetve a 2010-es, A mi emberünk című regényében Gyimát, az orosz pénzmosót a vele való viszonyának hatására teremtette meg.
1948-1949-ben a berni egyetemen tanult idegen nyelveket, majd 1950-ben csatlakozott a brit hadsereg hírszerző testületéhez, ahonnan Ausztriába rendelték ki. Ott zömmel olyan embereket hallgatott ki, akik átjutottak a Vasfüggönyön. 1952-ben visszatért Angliába, az oxfordi Lincoln College-ban kezdett el tanulni, mellette pedig az MI5-nak kémkedett szélsőbaloldali csoportokba beépülve, lehetséges szovjet ügynökök után kutatva.
1954-ben az apja tönkrement, ezért Cornwell abbahagyta a főiskolát, és ügynöki munkája mellett tanításba kezdett (német és francia nyelvet); ezidőben több főiskolán is alkalmazták.
1958-ban tiszti rangot kapott az MI5-nál. Ügynököket irányított, kihallgatásokat szervezett, telefonvonalakat hallgatott le és betöréseket hajtott végre. Lord Clanmorris (írói nevén John Bingham) bátorítására kezdett bele az írásba, az 1961-es Ébresztő a halottaknak volt az első regénye. Ezen felül Lord Clanmorris volt az egyik fő inspirációs forrás George Smiley karakterének a megszületéséhez, aki később is visszatérő szereplője lett le Carré regényeinek, többek közt a Karla-trilógia főszereplője is.
1960-ban áthelyezték az MI6-hez – a külföldi hírszerzéshez – és másodtitkárként beépülve dolgozott a bonni Brit Követségen. Innen később politikai konzulként Hamburga helyezték át. Itt írta meg 1962-ben az A Murder Of Quality című detektívregényt, majd egy évvel később a Kém, aki bejött a hidegrőlt. Az utóbbi óriási sikere miatt Cornwell 1964-ben kilépett a hírszerzéstől, hogy csak az írásnak szentelhesse az életét. A legutolsó ügye Kim Philby árulása volt, aki a KGB-nek fedte fel több brit ügynök kilétét is. 1974-ben ezt örökítette meg az Árulás című regényében (a Karla-trilógia első részében).
1964-ben elnyerte a Somerset Maugham díjat, ami harmincöt évnél fiatalabb brit íróknak tette lehetővé, hogy külföldön fejleszthessék az írói képességeiket.
Nem hittem volna, de legalább annyira izgalmas volt, mint a Suszter, szabó, baka, kém. Sok variáció nem lehetséges, azt gondoltam, bármelyik lesz az igazi, úgysem lesz meglepő. Tévedtem, az lett.