성 고르넬리오는 로마의 사제로 봉사하다가 성 파비아노 교황이 순교한 뒤 251년 4월 로마의 주교, 곧 교황으로 선출되었습니다. 데키우스 황제의 극심한 박해 때문에 교황좌는 약 14개월 동안 공석으로 남아 있었으며, 그가 교황으로 선출되었을 때 교회는 박해의 상처뿐 아니라 배교한 신자들을 어떻게 받아들일 것인가 하는 심각한 문제에 직면해 있었습니다. 성 고르넬리오는 박해 중 신앙을 저버렸더라도 진심으로 회개하고 합당한 보속을 하는 사람은 다시 교회와 화해하고 성사를 받을 수 있다고 가르쳤습니다. 이에 반해 노바티아누스는 배교를 용서받을 수 없는 죄로 여기며 교회에도 이를 용서할 권한이 없다고 주장했고, 스스로 로마의 주교를 자처하여 교회의 분열을 일으켰습니다. 성 고르넬리오는 카르타고의 성 치프리아노 주교와 긴밀히 협력하여 이러한 극단적인 엄격주의에 맞섰습니다. 251년 10월 로마에서 약 60명의 주교와 많은 사제·부제가 참석한 회의를 열어 노바티아누스와 그 추종자들의 주장을 단죄하고, 회개하는 죄인을 다시 받아들이는 교회의 화해와 자비의 원칙을 재확인했습니다. 이 과정에서 성 고르넬리오와 성 치프리아노는 서로를 지지하며 깊은 신앙적 우정을 나누었습니다. 252년 갈루스 황제가 그리스도교 박해를 다시 시작하자 성 고르넬리오는 체포되어 첸툼첼레로 유배되었습니다. 그는 그곳에서 박해와 고문의 고통을 겪은 뒤 253년경 선종하여 순교자로 공경받게 되었습니다. 그의 유해는 로마 아피아 가도의 칼리스투스 카타콤바 루치나 묘역에 안장되었으며, 묘비에는 그를 ‘순교자’로 기록한 라틴어 비문이 남았습니다.