Nació en San Diego (California), con el nombre de Cameron Michelle Diaz, de ascendencia cubana por vía paterna. Después de su carrera como modelo, fue seleccionada en 1994 para la película La máscara, protagonizada por Jim Carrey. En este primer papel cinematográfico apareció únicamente como una rubia atractiva y sensual, alta y con ojos azules.

Sin embargo, Diaz pronto demostró que tenía también cualidades interpretativas cuando actuó en otros films cuyo contenido se dirigía a un público más exigente, como Feeling Minnesota. Luego disfrutó del éxito en la comedia romántica La boda de mi mejor amigo (1997), y en la comedia Algo pasa con Mary (1998). Se arriesgó al aceptar un papel en Being John Malkovich (1999), y por su parte el director Oliver Stone se arriesgó al darle a ella un papel en Any given sunday (1999). Diaz tuvo éxito en ambos papeles, que la consagraron como actriz.

Cameron ha estado en la cima de la encuesta estadounidense de las mujeres más sexis, y se mantiene al mismo tiempo en los primeros lugares de las actrices más solicitadas.