Diaz nació en San Diego, California, hija de Billie (apellido de soltera, Early), una comisionista importador/exportador y Emilio Diaz (1949–2008, nacido en Los Angeles County, California), que trabajó en el departamento de oleoductos para la compañía petrolera de California UNOCAL durante más de veinte años, hasta que se retiró en 1998.[1] [2] Su padre era cubano-estadounidense de segunda generación. Sus abuelos se establecieron en Ybor City, Tampa.[3] La ascendencia de su madre es inglesa, alemana y cherokee.[4] [5] [6] Tiene una hermana mayor, Chimene Diaz (nacida el 5 de junio, 1970, San Diego). Fue al Long Beach Polytechnic High School al mismo tiempo que el rapero Snoop Dogg.
A la edad de 16 años comenzó su carrera como modelo. Diaz firmó un contrato con la agencia de modelos Elite Model Management. Después de terminar el bachillerato, se fue a trabajar a Japón donde conoció al director Carlos de la Torre. A su regreso a Estados Unidos, Cameron, que contaba por aquel entonces 17 años, se instaló con De la Torre e iniciaron una relación que duraría 5 años.[7] Durante los años siguientes, su carrera de modelo la llevó alrededor del mundo, trabajando en contratos para grandes compañías. Posó para diseñadores como Calvin Klein o Levi's y fue portada de la revista Seventeen en julio de 1990.
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.