Varnbüler ist der Sohn des Staatsbeamten Hans Ulrich Varnbüler (1551–1630) und dessen Ehefrau Agnes von Königsbach. Er ist ein Enkel des Tübinger Rechtswissenschaftlers und Diplomaten Nikolaus Varnbüler.
In den Zeiten des Dreißigjährigen Kriegs kehrte Varnbühler, im Jahr 1624, nach Stuttgart zurück und trat 1632 als Diplomat in die Dienste des württembergischen HerzogsJulius Friedrich. Dessen Nachfolger Eberhard III. entsandte ihn von 1633 bis 1634 als Mitglied in das Consilium formatum in Frankfurt am Main. Dort gewann er das Vertrauen des schwedischen Reichskanzlers Axel Oxenstierna. Als Gesandter bei den Verhandlungen zum Westfälischen Frieden1648 in Münster und Osnabrück gelang es ihm mit Unterstützung der Schweden, Württemberg in den Vorkriegsgrenzen wiederherzustellen. Johann Konrad Varnbüler wurde daraufhin von Eberhard III. mit dem RittergutHemmingen belehnt und nannte sich „Freiherr von und zu Hemmingen“. Im Friedenssaal des Rathauses in Osnabrück befindet sich in der Galerie der 42 Gesandten auch ein Porträt Varnbülers („H. Iohann Conrad Varenbühler, Fürstl. Württemberg. Abgesandt.“). 1652 wurde er in den Verband der Reichsritterschaft aufgenommen.
Während seines Wienaufenthalts heiratete Varnbüler im Jahr 1624 Anna Buchner von Buchberg, die 1627 gemeinsam mit dem Neugeborenen im Kindbett verstarb. 1628 schloss er eine zweite Ehe mit Susanna Beck, einer Nürnberger Kaufmannstochter. Aus dieser Ehe gingen sechs Söhne und vier Töchter hervor. Die Nachfahren bildeten das württembergische Adelsgeschlecht Varnbüler.
Andreas Neuburger: Konfessionskonflikt und Kriegsbeendigung im Schwäbischen Reichskreis. Württemberg und die katholischen Reichsstände im Südwesten vom Prager Frieden bis zum Westfälischen Frieden (1635–1651). Kohlhammer. Stuttgart 2011.
Walter Treiber: Johann Conrad Varnbüler (1595-1657). In: Heimatbuch Hemmingen. Hrsg. von der Gemeinde Hemmingen aus Anlaß des 1000jährigen Jubiläums im Jahre 1991. Horb am Neckar: Geiger-Verlag, 1991, S. 68–78.