W roku 1930 przejął po swoim ojcu profesurę Wydziału Farmakologii oraz został mianowany przewodniczącym Departamentu Farmakologii, Farmakodynamiki i Toksykologii. W tym samym czasie został również dyrektorem Instytutu J. F. Heymansa. Stanowiska te piastował do roku 1963. Corneille Heymans prowadził badania głównie z zakresu fizjologii oddychania i krążenia. W roku 1938 otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie znaczenia receptorów zatoki tętnicy szyjnej i aorty w regulacji oddychania. Miał czworo dzieci: Marie-Henriette, Pierre, Joan i Berthe.
Badania Po odkryciu przez Heinricha E. Heringa odruchu w tętnicach szyjnych, który najwyraźniej miał wpływ na rytm pracy serca, Heymans rozpoczął własne eksperymenty, które wykazały, że owe odruchy w tętnicach miały także wpływ na mechanizm oddychania. Jego doświadczenie wykorzystywało tzw. technikę odizolowanej głowy. Głowa znieczulonego psa pozostawała połączona z resztą ciała tylko przez nerwy błędne, pies utrzymywany był przy życiu dzięki podłączeniu go do krwiobiegu drugiego uśpionego psa. Heymansowie (ojciec i syn) zauważyli, że zwiększenie ciśnienia w odizolowanym ciele pierwszego psa, stymuluje jego ośrodek oddechowy w rdzeniu przedłużonym. Natomiast, gdy nerwy aorty zostały odcięte, wszelkie reakcje oddechowe na zmiany ciśnienia krwi ustały.