30 Ağustos 1972'de California San Diego'da doğdu. Küba-Amerikan bir baba ile İtalyan ve Alman ırkından gelen yerli bir Amerikalı annenin kızı olan Cameron, 16 yaşında Hollywood'da bir partide tanıştığı fotoğrafçı sayesinde Elite Model Ajansı ile bir anlaşma imzaladı. Modellikteki başarısı Japonya, Avustralya, Morocco ve Paris'te çalışmaya, Mademoiselle ve Seventeen gibi dergileride resimlerinin çıkmasına ve Calvin Klein, Coca Cola ve Levi's gibi büyük şirketlerin reklam kampanyalarında rol almasına neden oldu.
1994'de Jim Carrey'in başrol oynadığı The Mask adlı aksiyon komedi filminde sinema kariyerine ilk adımını attı. Oyunculuk deneyimi hiç olmamasına rağmen filmdeki yardımcı oyuncu rolü denemelerine katılması sağlandı. 12 kez geri çağrıldıktan sonra kadın başrol oyuncusu Tina Carlyle rolünde oynaması kararlaştırıldı. The Mask'deki başarısından sonra Hollywood'da önemli biri haline geldi ve seçkin film yapımcılarından projelerinde oynaması için teklifler almaya başladı.
Savaşla ilgili popüler video oyunundan esinlenerek yapılan Mortal Kombat isimli aksiyon filminin çekimleri için aldığı eğitim esnasında bileği incinen Diaz, bu sebepten dolayı filmden ayrılmak zorunda kaldı. Bunun dışında The Last Supper (1995), Keanu Reeves'in başrol oynadığı Feeling Minnesota (1996), Ed Burns ve Jennifer Aniston'un başrol oynadığı She's The One (1996) ve Harvey Kietel'in başrol oynadığı Head Above Water filmlerinde küçük rollerde oynadı. 1997'de Julia Roberts'ın rakib gelin adayı rolüyle izlediğimiz komedi filmi My Best Friend's Wedding ile sinemaya başarılı bir dönüş yaptı.
Romantik komedi A Life Less Ordinary'de Ewan McGregor ile başrol oynadıktan sonra, Ben Stiller ve Matt Dillon'la başrolü paylaştığı Bobby ve Peter Farrelly tarafından yazılan ve yönetilen büyük başarı kazanan komedi filmi There's Something About Mary'de oynayarak Hollywood şöhretini almaya hak kazandı. 1999'da çok farklı iki rolle seyirci karşısına çıktı. Birincisi, sarışın güzelliğini göz ardı ettiği Spike Jonze'nin yönettiği John Cusack, Catherine Keener ve John Malkovich'in başrol oynadığı Being John Malkovich filminde sıradan bir hayvan dükkanı çalışanı rolü diğeri ise Al Pacino ve Dennis Quaid'in başrol oynadığı Any Given Sunday filmindeki kendini beğenmiş yeni bir futbol takımı sahibini canlandırdığı rolüydü.
Diaz, komedi Very Bad Things, Malkovich ve 2001'de kablolu televizyonda yayınlanan Glenn Close, Holly Hunter ve Calista Flockhurt'ın başrol oynadığı Things You Can Tell Just by Looking at Her gibi filmlerde oynayarak düşük ücretli bağımsız filmlerde oynamaya devam etti. 2000'nin sonbaharında Drew Barrymore ve Lucy Liu ile başrol oynadığı 1970 yıllarının hiti olan Charlie's Angels filmindeki rolüyle karşımıza çıktı.
2001 yıllarının başlarında ise, Diaz The Invisible Circus'de özgür ruhlu büyük kız kardeş rolüyle seyirciyle buluştu. Aynı yılın yazında Shrek çizgi filminde Eddie Murphy ve Mike Myers gibi ünlü isimlerin yanında Prenses Fiona'nın seslendirmesini yaptı. Ünlü oyuncunun diğer çalışmaları arasında ise Leonardo Di Caprio ile oynadığı Martin Scorsese'nin Gangs of New York, Tom Cruise ile oynadığı Cameron Crowe'un yönettiği Vanilla Sky filmi ve romantik-komedi The Sweetest Thing yer alıyor.
