Камерон родилась в городе Сан-Диего, Калифорния в семье матери Билли Диас (урожд. Эрли) наполовину немки, наполовину англичанки и отца Эмилио Диаса (1949—2008) — кубинца, родившегося в США. Мать работала агентом импорта и экспорта, отец работал в нефтяной калифорнийской компании «UNOCAL» более 20 лет.
И Камерон, и её старшая сестра были далеко не пай-девочками, слушали тяжёлую музыку, проводили всё время с местными парнями и легко могли дать по физиономии обидчику, невзирая на пол и возраст. Музыкальные пристрастия дочери мать воспринимала спокойно, мало того, на концерты Оззи Озборна, Металлики и Ван Халена ходила вместе с Камерон.
Камерон всё свое детство провела в городе Сан-Диего и училась в «Long Beach Polytechnic High School».
В детстве Камерон, дома у которой был небольшой зоопарк (кошки, мыши, птички, змеи и так далее), мечтала стать зоологом, о карьере актрисы в то время не задумываясь. Однако стать великим зоологом Камерон так и не было суждено.
На очередной вечеринке от фотографа Джефа Дюнасса она получает приглашение поработать в модельном агентстве «Elite». Недолго думая, несостоявшийся зоолог заключает контракт с агентством, о чём, впрочем, ничуть не жалеет, за день съёмок зарабатывая около двух тысяч долларов.
С шестнадцати лет Камерон — фотомодель агентства «Elite», позировала для журналов «Mademoiselle» и «Seventeen», снималась в рекламе для дома моды Кельвина Кляйна, компаний «Levi’s» и «Coca-Cola».
Диас много разъезжала по миру, побывала в Японии, Австралии, Алжире, Франции, Мексике и, в конце концов, в 1990 году «осела» в Голливуде с видеопродюсером Карлосом де Ла Торре, — их роман продолжался до 1995 года.
В Голливуде Камерон Диас стала известна после успешного дебюта в нашумевшем фильме «Маска» (1994) с Джимом Кэрри. Ныне удачно переквалифицировавшаяся модель является весьма популярной актрисой, снялась во множестве фильмов и продолжает сниматься, а также озвучивать роли в мультипликационных фильмах.
Особую популярность актрисе принёс фильм «Ангелы Чарли», где вместе с Дрю Бэрримор и Люси Лью она сыграла специального агента.
23 июня 2009 года на aллее славы в Голливуде появилась звезда № 2386 с именем актрисы.
С 1995 по 1998 год Камерон была в отношениях с актёром Мэттом Диллоном.
С 1999 года у неё был роман с Джаредом Лето. В 2000 году они обручились, но в 2003 году расстались.
С 2003 по 2006 год Камерон встречалась с Джастином Тимберлейком. В октябре 2004 года произошёл инцидент между ними и папарацци. За пределами отеля, в котором Диас и Тимберлейк отдыхали, они столкнулись с папарацци. Когда он пытался сфотографировать их, они схватили его камеру. Фотографии этого инцидента появились в журнале «Us Weekly».
С июля 2010 года по сентябрь 2011 года встречалась с бейсболистом Алексом Родригесом.
