Cameron Diaz a des origines anglaises, allemandes et cherokee du côté de sa mère, ainsi que cubaines du côté de son père. Elle a un frère et une soeur.
Après une carrière de mannequin, elle décide de passer le casting du
film The Mask, en 1994. Le succès de cette comédie fantastique dans laquelle elle fait tourner la tête de Jim Carrey la propulse directement sur le devant de la scène. Pourtant, l'apprentie comédienne refuse de tomber dans la facilité et s'emploie à privilégier le circuit indépendant du cinéma américain. Elle est ainsi à l'affiche de films plus modestes tels que L'Ultime Souper, Petits mensonges entre frères, Feeling Minnesota, Une vie moins ordinaire, où elle joue une jeune fille riche et cynique, très amusée par son enlèvement. Le Mariage de mon meilleur ami finit de prouver le potentiel comique de cette grande blonde sexy, cantonnée néanmoins dans cette comédie à un rôle de ravissante idiote.
Cameron Diaz devient une star mondiale grâce au succès de la comédie Mary à tout prix. Future mariée hystérique dans Very Bad Things, enlaidie en épouse siphonnée pour Dans la peau de John Malkovich, la comédienne n'hésite pas à prendre des risques et à casser régulièrement son image sexy. Elle explose notamment au box-office dans l'adaptation cinématographique de la série éponyme des années 1980, Charlie et ses drôles de dames, où elle interprète le rôle de la ravissante Natalie Cook avec Drew Barrymore et Lucy Liu. Elle joue également dans le téléfilm Vérité apparente avec Jordana Brewster où elle campe une hippie engagée contre la guerre du Vietnam.
Elle est encensée par la critique pour son interprétation de la fiancée névrosée de Tom Cruise dans Vanilla Sky de Cameron Crowe, où elle est nommée aux Golden Globe Awards dans la catégorie Meilleur second rôle féminin et par la Screen Actors Guild et reçoit quelques récompenses. La même année, elle figure dans Gangs of New York de Martin Scorsese, où elle joue le rôle d'une malicieuse pickpocket avec Daniel Day-Lewis et Leonardo DiCaprio.
Depuis 2001, elle prête sa voix à la princesse Fiona dans les 4 épisodes de la saga Shrek. En 2002, retour à des films plus légers, en témoigne Allumeuses ! de Roger Kumble avec Selma Blair et Christina Applegate.
Après Charlie's Angels 2 : Les anges se déchaînent !, elle fait une pause de deux ans. En 2005, elle tourne avec Toni Collette dans la comédie In Her Shoes. Ne se détachant pas de la comédie, elle joue l'année suivante dans le film de Nancy Meyers, The Holiday avec Kate Winslet.
En 2009 son retour dans Ma vie pour la tienne, adaptation du livre a succès My sister's keeper la propulse à nouveau au devant de toutes les critiques, en faisant oublier les rôles de douce idiote qui lui avaient été attribués quelques quinze ans plus tôt.
D'après le classement Forbes de 2008, ses gains en 2007 sont estimés à 50 millions de dollars. Elle est alors l'actrice la mieux payée au monde devant Keira Knightley avec 32 millions de dollars gagnés.
Cameron Diaz est connue pour être une "croqueuse d'hommes", on lui a connu plusieurs liaisons officielles :
- Carlo de la Torre : 1990 à 1995
- Matt Dillon : 1997 à 1999
- Jared Leto : 1999 à 2003
- Justin Timberlake : 2003 à 2007
- Paul Sculfer : 2008 à 2009
- Alex Rodriguez: février au 10 novembre 2010
- Matthew Morrison: 10 novembre 2010
Son père Emilio est décédé le 15 avril 2008 d'une grippe s'étant transformée en pneumonie. Il avait 58 ans. Suite à cette mort soudaine, Cameron aurait décidé de prendre une année sabbatique.
En 2009, elle s'offre une villa à Beverly Hills, juste à côté de chez son amie Nicole Kidman .