Die in Wien geborene Altistin begann bereits während ihrer Schulzeit am Musikgymnasium Wien ihr Studium an der Universität für Musik und darstellende Kunst Wien, das sie mit Auszeichnung abschloss. An der Musik und Kunst Privatuniversität der Stadt Wien absolvierte sie den Lehrgang für Klassische Operette. Meisterklassen u.a. bei KS Vesselina Kasarova und KS Robert Holl bereicherten ihre Ausbildung. Cornelia Sonnleithner war Finalistin beim internationalen Wettbewerb „Klassikmania“ 2010 und beim Nico-Dostal-Wettbewerb 2015. Von 2012 bis 2018 war sie Mitglied des Wiener Staatsopernchores, wo sie auch kleinere Solorollen verkörperte.
Ihr Repertoire umfasst Opernrollen wie Eva („La morte di Abel“ von L. Leo), Angelo („La Decollazione di San Giovanni Battista“ von A. M. Bononcini), Storgè („Jephtha“ von G. F. Händel), Tetide („Acide“ von J. Haydn), Hänsel („Hänsel und Gretel“ von E. Humperdinck), Suzuki („Madama Butterfly“ von G. Puccini), Ulrica („Un ballo in maschera“ von G. Verdi), Henri („Der Opernball“ von R. Heuberger), Fortunata („Satyricon“ von B. Maderna), Chahuanca (UA „Das große Feuer“ von B. Furrer) sowie Oratorien wie J. S. Bachs h-Moll Messe, Matthäus-Passion, Johannes-Passion und sein Weihnachtsoratorium, G. F. Händels „Messiah“, W. A. Mozarts Requiem, F. Mendelssohn Bartholdys „Elias“, die „Stabat Mater“ von G. B. Pergolesi, G. Rossini und A. Dvorák, Petite Messe solennelle von G. Rossini und die 2. Symphonie von G. Mahler.
Sie sang bei den Salzburger Festspielen, am Opernhaus Zürich, an der Volksoper Wien, am Vorarlberger Landestheater, im Wiener Konzerthaus, im Musikverein Wien, im Brucknerhaus Linz, im Festspielhaus St. Pölten, beim Herbstgold Festival Eisenstadt, beim Festival Retz, bei den internationalen Barocktagen Stift Melk, bei der Schubertiade Dürnstein, beim Klangfrühling Burgenland, beim Osterfestival Tirol, beim Imago Dei Festival Krems, beim Salzburger Aspekte-Festival, an der Alten Oper Frankfurt, im Teatro Colón in Buenos Aires, beim Azores Festival, beim Bach-Festival Budapest, beim Mozart Festival Bratislava, in der Philharmonie Lviv in der Ukraine, beim Podium Festival Nové Mesto na Morave in Tschechien, beim Transart Festival in Italien, beim Festival Altafulla in Spanien und beim Origen Festival Cultural in der Schweiz. Weitere Auftritte führten sie u.a. nach Dänemark, Belgien, Südkorea und Japan.
Die Altistin arbeitete mit Dirigenten wie Adam Fischer, Marco Armiliato, Heinz Ferlesch, Gerrit Prießnitz, Beat Furrer, Luca De Marchi, Ilya Ram und Regisseur:innen wie Michael Sturminger, Carolin Pienkos, Cornelius Obonya, Otto Schenk, Sven Eric Bechtolf, Wolfgang Dosch, Stefan Otteni, Georg Zlabinger, Giovanni Netzer, Matija Ferlin, Sebastian Hirn, Tatjana Gürbaca und Vivien Hohnholz zusammen.
Zudem ist sie Mitglied des Österreichischen Ensemble Cantando Admont, das auf Alte und Neue Musik spezialisiert ist und mit renommierten Komponist:innen zusammenarbeitet.