È salito alla ribalta della scena rock mondiale grazie al ruolo di leader nei Soundgarden, uno dei principali gruppi musicali della scena grunge di Seattle con i quali ha raggiunto il successo tra la fine degli anni ottanta e l'inizio degli anni novanta. Alla voce dirompente di Cornell, caratterizzata da potenza ed estensione straordinarie, si deve gran parte del successo della band, annoverata tra le più importanti protagoniste del rock degli anni novanta. L'album "Superunknown", è stato considerato a posteriori come il "canto del cigno della scena grunge".

Durante gli anni nei Soundgarden partecipa al progetto Temple of the Dog che mette insieme membri dei Pearl Jam (Mike McCready, Stone Gossard, Jeff Ament, Eddie Vedder) e dei Soundgarden (Cornell e Matt Cameron, in seguito batterista degli stessi Pearl Jam) per dare vita a un supergruppo che nel 1991 pubblica l'album omonimo "Temple of the Dog" in memoria del defunto cantante dei Mother Love Bone, Andrew Wood.

Dopo lo scioglimento dei Soundgarden nel 1997, Cornell si dedica al suo primo album in veste di solista: nel 1999 esce "Euphoria Morning", promosso dalla critica mondiale ma bocciato nelle vendite. Successivamente prende parte ad alcuni progetti minori, fino a unirsi nel 2001 agli strumentisti dei Rage Against the Machine orfani del cantante Zack De La Rocha che aveva abbandonato la band nel 2000. Assieme a loro dà vita al gruppo degli Audioslave, pubblicando i tre album "Audioslave" (2002), "Out of Exile" (2003) e "Revelations" (2006). Esce dal gruppo per divergenze artistiche il 17 febbraio 2007 e gli Audioslave di conseguenza si sciolgono.

Nel 2015 pubblica il suo quinto album solista "Higher Truth".