Cameron Diaz urodziła się w San Diego w stanie Kalifornia. Jest córką Billie i Emilia Diaza. Jej ojciec był Kubańczykiem pochodzenia hiszpańskiego, przodkami jej matki byli Anglicy, Niemcy i Szkoci.

Ma dwójkę starszego rodzeństwa – siostrę Chimene i brata Michaela.

Uczęszczała do Los Cerritos Elementary School i Jordan High School w North Long Beach. W roku 1989 ukończyła Long Beach Polytechnic High School na Long Beach, gdzie uczęszczał również Snoop Dogg.

W swoim życiu miała wielu partnerów. W 2014 roku poznała Benjiego Maddena – gitarzystę i wokalistę zespołu Good Charlotte. Para wzięła ślub 5 stycznia 2015 roku podczas kameralnej uroczystości w domu w Beverly Hills. W 2019 roku 5 grudnia przyszła na świat ich córka Raddix.

W wieku 16 lat na jednej z imprez w Hollywood została odkryta przez fotografa. Pomógł jej on zdobyć kontrakt z Elite Modeling Agency, gdzie rozpoczęła swoją karierę jako modelka. W lipcu 1990 roku pojawiła się na okładce magazynu „Seventeen”. Przez pięć lat podróżowała po świecie i kontynuowała karierę jako modelka, zaczynając od Japonii. Brała udział w kampaniach dla Calvin Klein i Levi’s.

W 1991 roku wystąpiła w australijskiej reklamie Coca-Coli w Sydney. Pojawiła się również na okładkach wielu magazynów.

W wieku 21 lat wygrała casting do roli piosenkarki jazzowej Tiny Carlyle w komedii Chucka Russella „Maska” z 1994 roku. Rola w filmie przyniosła Cameron Diaz nominację do MTV Movie Award w trzech kategoriach: najlepsza rola przełomowa, najbardziej pożądana aktorka i najlepsza scena taneczna (wspólnie z Jimem Carrey’em).

Za drugoplanową rolę w komedii „Mój chłopak się żeni” z 1997 roku zdobyła ALMA Award za znakomity indywidualnym występ w roli crossovera w filmie w fabularnym oraz Blockbuster Entertainment Award. Była również nominowana do Nagrody Satelity.

Za rolę w filmie „Sposób na blondynkę” z 1998 roku otrzymała statuetkę MTV Movie Awarda i Teen Choice Awards, a także nominację do Złotego Globu dla najlepszej aktorki w filmie komediowym lub musicalu.

Za rolę w filmie „Męska gra” z 1999 roku otrzymała nagrodę ALAM Award i Blockbuster Entertainment Award oraz była nominowana do Teen Choice Award.

Rola w filmie „Być jak John Malkovich” przyniosła jej drugą nominację do Złotego Globu dla najlepszej aktorki drugoplanowej oraz do nagród Gildii Aktorów Filmowych i BAFTA.

Kolejną nominację do Złotego Globu, a także nagród Gildii Aktorów Filmowych, Saturna i Amerykańskiego Instytutu Filmowego przyniosła jej rola w filmie „Vanilla Sky” z 2001 roku.

Czwartą nominację do Złotego Globu otrzymała dzięki roli w filmie „Gangi Nowego Jorku” z 2002 roku.

W filmach z serii „Shrek” użyczyła głosu Fionie.

Cameron Diaz wydała również dwie książki „The Body Book” oraz „The Longevity Book”.