Doornenbal werd geboren in Doorn op de meer dan tweehonderd jaar oude boerderij van zijn familie van moederszijde. Hij groeide op in een kerkelijk meelevend milieu. Zijn vader was diaken van de hervormde Maartenskerk in het centrum van Doorn. Co was een moederskind en zijn moeder is dan ook van grote invloed geweest op zijn levensloop. Ze nam hem mee naar conventikels waar voornamelijk oudere vrouwen zich onder leiding van een zware predikant verdiepten in het geestelijke leven. Op die bijeenkomsten werd over de verborgen omgang met God gesproken op een manier die paste bij de natuurlijke zwaarmoedigheid van Co.

Meestal moeten kinderen op de boerderij al jong meehelpen, maar in Doornenbals geval was dat minder noodzakelijk omdat er drie volwassen mannen aanwezig waren: behalve Co’s vader twee inwonende ongetrouwde broers van zijn moeder. Hij mocht doorleren en na het gymnasium ging hij theologie studeren in Utrecht. Het was de hartenwens van zijn moeder dat hij predikant zou worden. Een andere keuze was denkbaar geweest vanwege Doornenbals grote liefde voor de literatuur.

Doornenbal begon zijn loopbaan als hervormd predikant in Woubrugge (1935-1939), en daarna stond hij in Kesteren (1939-1946). Zijn derde en laatste predikantsplaats was Oene, waar hij tot 1973 werkzaam was. Daar voelde hij zich op zijn plaats. Hij hield van de Veluwse mentaliteit en het landschap. Zijn groeiende faam en verknochtheid aan Oene leverden hem een merkwaardig record op: geen enkele predikant uit de 20ste eeuw heeft vaker een beroep naar een andere kerkelijke gemeente ontvangen dan Doornenbal.

Doornenbal begon met schrijven in zijn eerste gemeente Woubrugge. Hij startte een kerkbode die hij zelf volschreef en redigeerde. Omdat hij niet voor continuïteit had gezorgd, werd het blad na zijn vertrek uit Woubrugge opgeheven. Ook in Kesteren kwam een kerkbode van de grond. Hier kreeg Doornenbal na verloop van tijd collegiale ondersteuning, waardoor het blad een langer leven beschoren was.

Kesteren kreeg het tijdens de Tweede Wereldoorlog zwaar te verduren. In de meidagen van 1940 moest de bevolking geëvacueerd worden vanwege de strijd om de Grebbeberg en in september 1944 tijdens de slag om Arnhem – Kesteren lag midden in de vuurlinie – gebeurde dit nogmaals, nu tot het einde van de oorlog. Doornenbal reisde onvermoeibaar van hot naar her om pastorale hulp te verlenen.

Na de oorlog verscheen in het Gereformeerd Weekblad van Doornenbals hand een artikelenreeks over het leven en werk van Wulfert Floor, een 19de-eeuwse oefenaar (leider van een niet-kerkelijke godsdienstoefening) uit de omgeving van Doorn, wiens handschriften met preken en commentaren op de catechismus hij grondig bestudeerd heeft. Doornenbal voelde zich vooral zich aangetrokken door de mystieke belevingswereld van Floor.

Sommige Schotse predikanten beschouwde Doornenbal als zijn geestelijke leermeesters. Van oudsher waren er nauwe banden tussen de orthodoxe vleugel in de vaderlandse protestantse kerk en die in Schotland. Zowel de hervormde kerk als de kerk van Schotland kenden een presbyteriaans bestuur. De gereformeerde religie kreeg er eender gestalte in een ernstige levenswijze zonder veel vermaak of luxe, met als hoogtepunt van de week de sobere zondagse eredienst. Omdat er nog steeds belangstelling was voor het oude Schotse erfgoed, publiceerde Doornenbal enkele artikelen over de predikanten Andrew Gray en de broers Ebenezer en Ralph Erskine. Aan de bekende, eveneens in Schotland geboren predikant dr. Alexander Comrie, van 1738-1773 predikant in Woubrugge (!), wijdde hij een artikelenserie. Doornenbal was aanvankelijk een groot bewonderaar van Comrie, maar nam in de loop der tijd wat afstand van hem. Comrie, een volgeling van Voetius, stond bekend om zijn felheid en onbuigzaamheid in godsdienstzaken. Doornenbal kwam tot het inzicht dat een dergelijke houding onherroepelijk tot kerkscheuringen leidde en daarvan moest hij niets hebben.

In Oene moest Doornenbal de hervormde kerkelijke gemeente, die bestond uit een rechterflank van gereformeerde bonders en een meer vrijzinnig georiënteerde linkerzijde, bij elkaar houden en daarin is hij voortreffelijk geslaagd. Dat kwam omdat hij zelf, hoewel hoogkerkelijk vanwege zijn gevoel voor stijl, hoegenaamd geen interesse had in theologische haarkloverijen: ‘Ik heb weinig begrip voor kerkelijke en dogmatische geschillen en de theologie is voor mij een gesloten boek, letterlijk en figuurlijk.’ Hij ging door voor een gereformeerde bondsdominee, maar bleef een eenling die zich op den duur in domineesland een onaantastbare positie verwierf.

Doornenbal dankte zijn populariteit vooral aan zijn bijdragen die hij tussen 1946 en 1973 heeft geschreven in de Hervormde Kerkbode in de classis Harderwijk onder de kop ‘Gemeentenieuws van Oene’. Toen hij nog maar kort predikant in Oene was, begonnen de politionele acties in Nederlands-Indië. Een van de kerkenraadsleden vroeg hem in de kerkbode meer aandacht te besteden aan het leven van alledag. De jongens in Indië hadden op die manier nog wat voeling met thuis. In die tijd kreeg Doornenbal de smaak van het schrijven echt te pakken. In de kerkbode liet hij zijn gevoelens de vrije loop in een losse, humoristische stijl. Ongezouten kritiek op de gang van zaken in de kerk werd afgewisseld met prozaïscher ontboezemingen. Hij trok ten strijde tegen het gebrek aan eerbied tijdens de kerkdiensten, ruzies over theologische kwesties en schijnheiligheid, maar ook klaagde hij dat nergens ter wereld meer onkruid groeide dan in zijn pastorietuin. Voor hem geen spinazie, maar wel hanenpoten! Het gevolg was dat hij door ‘meelevende en leraarlievende’ kerkbodelezers werd overstelpt met spinazie. De gemeenteleden vonden, ook al kregen ze er soms van langs, het geschrijf van hun predikant prachtig, temeer daar Doornenbal wel zo wijs was niet persoonlijk te worden in zijn aanvallen. Daar kwam nog bij dat zijn zelfspot ontwapenend was. Zijn onvermogen om de juiste toon aan te slaan bij de catechisanten, zijn verstrooidheid en hang naar voorbije tijden werden door hem breed uitgemeten. Menige hervormde kerkganger op de Veluwe las eerst de stukjes van de dominee uit Oene en daarna pas het eigen kerknieuws.

Ook Doornenbals preken raakten een gevoelige snaar. Ze waren recht in de leer, maar vooral beeldend met een melancholieke inslag en vrij zacht, enigszins monotoon van voordracht. Het kerkgebouw was al snel te klein en Doornenbal moest vanaf 1948 op zondag drie preken houden in afwachting van de vergroting van de kerk in 1951. Doornenbal trok mensen aan van alle theologische richtingen, zowel vrijzinnigen als orthodoxen. Hij heeft zijn leven lang een volle kerk gehouden.

Negenmaal heeft Doornenbal een lange reis gemaakt, onder andere naar Amerika en Zuid-Afrika, vaak uitlopend op een langdurige logeerpartij bij vrienden. Het logeeradres gebruikte hij als uitvalbasis om tal van gezinnen die na de oorlog geëmigreerd waren, te bezoeken. De gastvrijheid die hij van voormalige landgenoten ervoer, vertroebelde soms zijn oordeelsvermogen. Zo verwoordde hij zijn visie op het apartheidsbewind in Zuid-Afrika (Hervormde Kerkbode van 13 november 1969) als volgt: “De nazaten van de oude boeren zijn als hun vaderen. Je ziet het aan die trouwhartige, open en eerlijke gezichten, aan heel hun doen en laten [...]. En de “apartheid” dan? vraagt u. Wat zal ik er van zeggen? Ik heb er niets bijzonders van gezien. Dat de regering van Zuid-Afrika de rassen gescheiden wil houden is haar zaak en heeft in de praktijk niet meer om het lijf dan bij ons de positie van het dienstmeisje in het gezin. In het ene gezin spreekt het vanzelf dat ze mee eet aan tafel, in het andere even vanzelfsprekend van niet. Praktisch elke Zuid-Afrikaner, ook de pas geëmigreerden, vinden apartheid vanzelfsprekend en de Bantoes vinden dat ook.” In het algemeen zag Doornenbal kans in rake bewoordingen de sfeer op te roepen van het land dat hij bezocht. Uiteraard kwam hij in menige kerk: hij kon toch al nooit een kerk passeren zonder er naar binnen te gaan. Zijn reisbeschrijvingen zijn naderhand verschenen in boekvorm.

Doornenbal liet zich bij de keuze van zijn talloze vrienden weinig gelegen liggen aan kerkmuren: hij koos ze op grond van zielsverwantschap. Zo sloot hij vriendschap met de dichter Gerrit Achterberg, eindigend met Achterbergs onverwachte dood in 1962. De band tussen de dichter en de dominee werd heel hecht. Achterberg, hoewel zelf onkerkelijk geworden, vergezelde de predikant soms op huis- en ziekenbezoek. Flarden van Achterbergs verzen vonden hun weg in de preken van Doornenbal en daarmee in de hoofden van de kerkgangers.

Toen hij tegen de zestig liep, ging Doornenbals gezondheid achteruit. In 1973 bleek hij een verweking in de hersenen te hebben. Tijdens een kerkdienst overkwam het hem wel dat hij de draad kwijtraakte. Daarom ging hij vervroegd met emeritaat. Op 16 april 1975 is hij in Oene gestorven.