Grâce à d'importants soutiens, comme ceux des évêques Cyprien de Carthage ou Fabius d’Antioche, le schisme de Novatien finit par se réduire sans pour autant disparaître.
Mais au même moment, la crise que traversait l’Empire romain, due aux dangers de divers envahisseurs aggravés par une épidémie de peste, provoqua une nouvelle persécution.
Dès son début, Corneille fut arrêté et exilé à Centumcellae (act. Civitavecchia) où il mourut en juin 253 si l’on se réfère à l’incontournable Catalogue libérien, rédigé en, ou vers, 354, et qui reprend la liste des évêques de Rome jusqu’en 336.
Son corps fut transféré peu après à Rome, et inhumé dans la crypte Lucine, sur la voie Appienne. C’était alors un vieux cimetière chrétien fait de deux hypogées (cryptes Lucine et Sainte-Cécile) lesquelles, réunies à l’occasion de l’inhumation de Corneille, formèrent le noyau antique de la catacombe Saint-Calixte.
Une inscription latine rappelle sa déposition en ce lieu :
CORNELIVS • MARTYR •
EP (iscopus)