Cameron Diaz debutó en el cine a los 21 años, cautivando al público con su papel de mujer fatal Tina Carlisle en La máscara. Además de convertirse en uno de los mayores éxitos de Jim Carrey, La máscara se convirtió en la película que relanzó la carrera de Cameron Diaz en el cine. Desde entonces, es la actriz que ha actuado en más películas con 100 millones de dólares de ingresos a nivel internacional, situándose en la cuarta posición de esta lista, solo por detrás de Tom Cruise, Brad Pitt y Tom Hanks.

Después de La máscara, Cameron actuó en una pequeña película independiente llamada The Last Supper, con el director debutante Stacy Title. Se trata de una comedia negra, en la que hace de una estudiante liberal condescendiente y comparte guión con Annabeth Gish, Ron Eldard y Courtney B. Vance. Su tercera película fue la historia de amor del escritor/director Steven Baileman Luna sin miel, la cual coprotagoniza con Keanu Reeves, y hace de una novia que se enamora de su futuro cuñado. Después haría de una neoyorkina fría y manipuladora en el segundo largometraje —tras la aclamada Los hermanos McMullen— de Edward Burn, una comedia romántica titulada Ella es única; y protagonizó junto a Harvey Keitel el thriller Solamente se vive una vez.

En 1996, Cameron fue elegida ShoWest's Female Star of Tomorrow (estrella del futuro) por el National Association of Theatre Owners. Un año más tarde, La vida de mi mejor amigo, su segunda película de estudio, tras La máscara, se iba a convertir en uno de los mayores éxitos de 1997 y una de las 10 películas que más recaudaron ese año. Comparte guión con Julia Roberts, Dermot Mulroney y Rupert Everett, en el papel de una dulce joven a punto de casarse. La película le dio la oportunidad a Cameron de mostrar otra de sus muchas aptitudes, llegando al corazón de la crítica y del público en general. Su actuación le valió un premio Blockbuster Entertainment a la mejor actriz de reparto en una comedia, siendo votada por más de 11 millones de usuarios de Blockbuster Video a nivel mundial. En Una historia diferente —del talentoso director de las películas Trainspotting y Slumdog Millionaire, Danny Boyle— Cameron actuó junto a Ewan McGregor, y hace de una joven rica mimada e infeliz que se enamora del conserje que, accidentalmente, la secuestra.

Por su actuación en la comedia romántica Algo pasa con Mary, consiguió el premio del New York Film Critics Circle a la mejor actriz, además de una nominación al Globo de Oro, American Comedy Award, Blockbuster Entertainment Award a la actriz favorita y el MTV Movie Award a la mejor actriz. La película está dirigida por Peter y Bobby Farrelly y se estrenó bajo 20th Century Fox en julio de 1998 para convertirse en un éxito internacional en taquilla y en su posterior edición en vídeo y DVD.

Después de actuar en la comedia negra Very bad things, escrita y dirigida por el actor-cineasta Peter Berg y protagonizada por Christian Slater y Jon Favreau, Cameron participó en Cómo ser John Malkovich, junto a John Cusack, Catherine Keener y John Malkovich. Dirigida por el nominado al Óscar Spike Jonze, la película captura los pensamientos de cinéfilos de todo el mundo. Cameron fue nominada por su actuación al Globo de Oro, Screen Actors Guild Award y British Academy of Film Award (BAFTA), mientras que la película consiguió numerosos premios, nominaciones y otros reconocimientos por la propia película, el casting y los directores. La crítica enloqueció con la película y sus actuaciones, incluida la interpretación de Cameron del personaje Lotte, descrita por una crítica como "una actuación tan sutil y continua que, aunque seas un seguidor de la actriz, no la reconoces en la mayor parte de la película".

Cameron representó a la joven dueña de un equipo profesional de fútbol americano en la película de Oliver Stone Un domingo cualquiera, como parte de un reparto de estrellas que incluía a Al Pacino, Jamie Foxx, Dennis Quaid, LL Cool J, James Woods y Ann-Margaret. Su carrera continuó con la versión de Sony Pictures de la serie de televisión de los años 70 Los ángeles de Charlie, junto a Drew Barrymore, Lucy Liu y Bill Murray. Le película consiguió el récord de recaudación en un fin de semana no festivo e ingresó 265 millones de dólares a nivel mundial, ganó dos MTV Movie Awards al mejor equipo y mejor secuencia de baile. Su secuela, Los ángeles de Charlie: Al límite, se estrenó en el año 2003 y recaudó 250 millones de dólares en todo el mundo. Cameron apareció también en The Invisible Circus y en la película de Rodrigo García Cosas que dirías con sólo mirarla, con Glenn Close, Calista Flockhart, Amy Brenneman y Holly Hunter.

En 2001, puso la voz a la enérgica princesa Fiona en el éxito de animación de Dream Works Shrek, con Mike Myers, Eddie Murphy y John Lithgow. La película se convirtió en uno de los mayores éxitos de todos los géneros de ese año, estableciendo récords de taquilla y rompiendo otros tantos con su edición en vídeo y DVD y apareciendo en decenas de listas de críticas de las mejores películas del año 2001. Su secuela, Shrek 2 también se convirtió en uno de los mayores éxitos de taquilla de siempre, pero aún fue superado por Shrek Tercerož que batió todos los récords en 2007, cuando se convirtió en el tercer mejor estreno de todos los tiempos. Contó con las voces de estrellas mundiales como Antonio Banderas, Julie Andrews, Justin Timberlake y John Cleese, entre otros.

En noviembre de 2007, ABC estrenó un especial de media hora de Dream Works Animations titulado Shreketefeliz Navidad con Shrek, Fiona y sus amigos, al que siguió un especial de Halloween llamado Shreky Movie en 2010, convirtiéndose los dos en clásicos de las vacaciones. Con la última de las producciones, Shrek, felices para siempre, la saga ha recaudado un total de 3.000 millones de dólares en todo el mundo.

Cameron coprotagonizó la película de Cameron Crowe Vanilla Sky, con Tom Cruise y Penélope Cruz. Su papel de Julie Gianni le valió nominaciones al Globo de Oro, AFI Award y SAG Award y fue elegida mejor actriz de reparto por Boston Society of Film Critics y Chicago Film Critics Association. En primavera del 2002, actuó en la atractiva comedia La cosa más dulce con Christina Applegate y Selma Blair. Fue nominada a otro globo de Oro por su actuación en la película nominada al Óscar de Martin Scorsese Gangs of New York, que se rodó en Roma, junto a Leonardo DiCaprio, Daniel Day-Lews y Liam Neeson.

Protagonizó la aclamada En sus zapatos, junto a Toni Collette y Shirley MacLaine, del director Curtis Hanse; y la comedia romántica de Nancy Meyers The Holiday, junto a Jude Law, Kate Winslet y Jack Black. Entre otras de sus películas se incluyen también Algo pasa en Las Vegas, junto a Ashton Kutcher; el drama familiar La decisión de Anne, dirigida por Nick Cassavetes y el thriller de ciencia ficción The Box. Volvió a compartir cartel con Cruise en 2010 en la película de acción Noche y día, dirigida por James Mangold, que recaudó 260 millones de dólares en todo el mundo. En 2011, actuó en otro éxito de taquilla mundial, la película de Michel Gondtry The Green Hornet (El avispón verde) con Seth Rogen, que consiguió 227 millones de dólares.

Ese mismo año, Cameron volvió a dominar las taquillas con la comedia negra Bad Teacher, dirigida por Jake Kasdan, y se convirtió en su decimoséptima película en cruzar la barrera de los 100 millones de dólares, recaudando 216 millones y consiguiendo los Teen Choice Awards a la mejor actriz y mejor comedia. De su actuación en esta película, una crítica decía: "Cameron se come la pantalla en Bad Teacher y la pantalla da las gracias. No se ha visto algo parecido desde que la actriz actuara en Algo pasa con Mary… Diaz combina las habilidades cómicas de Carole Lombard y un cuerpo de infarto. Escenifica con encanto y buen gusto la mala educación de su personaje, dando una lección de lo que debe ser una película sobre clases".

Encabezó un casting plagado de estrellas en la adaptación al cine del famoso libro Qué esperar cuando estás esperando en mayo de 2012 y actuó junto a Colin Firth y Alan Rickman en el remake de los hermanos Coen Un plan perfecto (Gambit).

Recientemente apareció en el drama de Ridley Scott El consejero, junto a Brad Pitt, Michael Fassbender, Javier Bardem y Penélope Cruz. Sus próximos proyectos incluyen Sex Tape, una comedia en la que volverá a trabajar con el director de Bad Teacher, Jake Kasdan; y coprotagonizará junto a Jason Segel el musical Annie.

Durante el 2004 y principios de 2005, Cameron se embarcó en una aventura con MTV para producir una serie de 10 capítulos titulada Trippin, de la que es también productora ejecutiva. Junto a un grupo cambiante de viajeros, Cameron y su equipo exploraron algunos de los lugares más exóticos y únicos del planeta mientras descubrían maneras de ayudar a preservarlos. También será productora ejecutiva en la serie cómica de CBS basada en Bad Teacher.

A principios de 2014, Cameron sumó la faceta de escritora a su lista de éxitos al publicar su libro The Body Book, que ofrece una serie de consejos sobre salud y bienestar, que pretende servir de inspiración a jóvenes, tratando temas como el ejercicio, nutrición y bienestar.

Además de las nominaciones que consiguió por sus actuaciones en Algo pasa con Mary, Cómo ser John Malkovich, Vanilla Sky y Gangs of New York y otros premios y nominaciones, Cameron ha sido premiada con el People's Choice Award como la mujer a seguir del año 2007 y recibió el premio Wannabe de Nickelodeon's Kids, que la reconocía como modelo a seguir en 2008. Después de ser nombrada Female Star of Tomorrow por ShoWest en 1996, cerró el círculo al ser nombrada actriz del año en 2011 por la misma organización. Otro de sus mayores logros fue en 2009, cuando recibió una estrella en el legendario paseo de la fama de Hollywood.

Actualmente, Cameron es embajadora internacional de la colección de relojes para señora TAG Heuer. Su colaboración con la marca sirve también para ayudar y crear conciencia de programas de empoderamiento de la mujer, incluido ONU Mujeres.

Cameron creció en Carolina del Sur y su familia tiene raíces cubanas, alemanas y nativas de América.