Cem Yılmaz, oldukça köklü ve birbirine bağlı bir aile yapısına sahiptir. Annesi Sebahat Yılmaz ve babası Arif Yılmaz, sanatçının hayatındaki en önemli destekçileridir. Ağabeyi Can Yılmaz, kendisi gibi mizah dünyasında yer alan ve Cem Yılmaz'ın gösterilerinde sıkça bahsettiği bir isimdir. Kız kardeşi Özge Yılmaz Çevik, Tolga Çevik ile evlidir ve bu evlilikten dolayı Tolga Çevik, Cem Yılmaz'ın eniştesidir. Aile üyeleriyle olan ilişkisi, özellikle stand-up gösterilerinde anlattığı anekdotlarla kamuoyunun yakından bildiği bir konudur. Cem Yılmaz, ailesiyle olan bağlarını her fırsatta vurgulamakta ve özel günlerde onlarla vakit geçirmektedir. Oğlu Kemal Yılmaz, 2012 yılında dünyaya gelmiş olup sanatçının hayatındaki en önemli varlıktır. Aile, İstanbul'da yaşamını sürdürmekte ve birbirlerine olan desteklerini her zaman korumaktadırlar.

Cem Yılmaz'ın kökenleri, Türkiye'nin farklı coğrafi bölgelerine uzanan zengin bir yapıya sahiptir. Baba tarafı, Sivas'ın Gürün ilçesinin Eskihamal köyüne dayanmaktadır. Anne tarafı ise Yunanistan'ın Selanik kentinden Türkiye'ye göç etmiş bir aileden gelmektedir. Bu çok kültürlü aile yapısı, sanatçının mizah anlayışını ve gözlem yeteneğini besleyen önemli bir unsur olmuştur. İstanbul'un Kocamustafapaşa semtinde doğup büyümesi, onun şehirli ve yerel kültürleri sentezlemesine olanak tanımıştır. Köklerine olan bağlılığını çeşitli röportajlarında ve eserlerinde dile getiren Yılmaz, Sivaslı kimliğini sıkça vurgulamaktadır. Ailesinin göç hikayeleri ve Anadolu kültürü, onun karakter analizlerinde ve hikaye anlatıcılığında derin izler bırakmıştır. Bu köken çeşitliliği, onun Türkiye'nin her kesimine hitap edebilen evrensel bir mizah dili geliştirmesine yardımcı olmuştur.

Cem Yılmaz'ın aşk hayatı, kariyeri boyunca magazin dünyasının en çok takip ettiği konulardan biri olmuştur. İlk evliliğini 2012 yılında oyuncu ve model Ahu Yağtu ile gerçekleştirmiş, bu evlilikten Kemal adında bir oğlu dünyaya gelmiştir. Çift, 2013 yılında tek celsede boşanmış olsa da çocukları Kemal için iletişimlerini sürdürmüşlerdir. Evliliği öncesinde ve sonrasında çeşitli isimlerle birliktelikler yaşamıştır. Sema Şimşek ile yaşadığı kısa süreli ilişki, medyada yer alan ilk aşklarından biri olarak bilinir. Sonraki yıllarda Defne Samyeli ve Serenay Sarıkaya gibi isimlerle yaşadığı ilişkiler uzun süre magazin gündemini meşgul etmiştir. 2024 yılında pilates eğitmeni Necla Karahalil ile birlikteliği kamuoyuna yansımış, bu ilişki de büyük ilgi görmüştür. Cem Yılmaz, özel hayatını genellikle gözlerden uzak yaşamaya çalışsa da popülerliği nedeniyle ilişkileri her zaman merak konusu olmuştur.

Cem Yılmaz'ın kariyeri, 1990'ların başında Leman dergisinde karikatürist olarak başlamıştır. Üniversite yıllarında mizah dergisindeki başarısı, onu sahneye taşıyan ilk adım olmuştur. 1995 yılında Leman Kültür Merkezi'nde gerçekleştirdiği ilk stand-up gösterisi, Türkiye'de stand-up kültürünün yeniden doğuşunu simgeler. Beşiktaş Kültür Merkezi'nde sahne aldığı yıllarda binlerce kez sahneye çıkarak rekorlar kırmış ve kapalı gişe gösterilerle Türkiye'nin en sevilen komedyeni olmuştur. 1998 yılında Her Şey Çok Güzel Olacak filmiyle sinemaya adım atması, kariyerinde yeni bir dönemi başlatmıştır. G.O.R.A. ve A.R.O.G gibi filmlerle bilimkurgu ve komediyi birleştirerek Türk sinemasında bir çığır açmıştır. Reklam dünyasında da Panasonic, Opet ve Türk Telekom gibi markalarla yaptığı iş birlikleriyle reklamcılık tarihine geçen işlere imza atmıştır. Kariyeri boyunca Sadri Alışık ve Yeşilçam gibi prestijli ödüllere layık görülmüştür.

Cem Yılmaz, 23 Nisan 1973 tarihinde İstanbul'da dünyaya gelmiştir. İlköğrenimini Mehmet Akif İlkokulu'nda, ortaöğrenimini Bahçelievler Kazım Karabekir Ortaokulu'nda tamamlamıştır. Etiler Anadolu Otelcilik ve Turizm Meslek Lisesi'nden mezun olduktan sonra Boğaziçi Üniversitesi Turizm İşletmeciliği bölümüne girmiş ancak kariyerine odaklanmak için eğitimini yarım bırakmıştır. Karikatür yeteneği, onun mizah dünyasına giriş biletidir. 1995'ten günümüze kadar geçen sürede Türkiye'nin en etkili popüler kültür figürlerinden biri haline gelmiştir. Sahne gösterileri, sinema filmleri, senaryoları ve yönetmenlik çalışmalarıyla çok yönlü bir sanatçı profili çizmektedir. Askerlik görevini 2001 yılında Ankara Mamak'ta 18 ay olarak tamamlamıştır. Sosyal medyayı aktif kullanan Yılmaz, hayranlarıyla doğrudan iletişim kuran bir isimdir. 50'li yaşlarında olmasına rağmen üretkenliğini hiç kaybetmemiş, dijital platformlar için de içerikler üretmeye devam etmektedir.