Родилась 30 августа 1972 года в городе Сан-Диего штата Калифорния, была младшим ребёнком в семье Билли Диас (урожд. Эрли), наполовину немки, наполовину англичанки с корнями индейцев племени Чероки, и 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 Кэмерон, и её старшая сестра, Шимен, слушали тяжёлую музыку, проводили всё время с местными парнями и могли постоять за себя. Музыкальные пристрастия дочери мать воспринимала спокойно и ходила с ней на концерты Оззи Озборна, Metallica и Ван Халена.

Кэмерон всё своё детство провела в городе Лонг-Бич и училась в Long Beach Polytechnic High School. Её одноклассником был рэпер Снуп Дог.

В детстве у Кэмерон дома были кошки, мыши, птички, змеи, она мечтала стать зоологом, а о карьере актрисы в то время не задумывалась.

В шестнадцать лет Диас начала работать моделью, в том же возрасте она подписала контракт с агентством, Elite Model Management. Весь следующий год Кэмерон ездила по миру на съёмки таких компаний, как Calvin Klein и Levi’s. А в семнадцать впервые появилась на обложке июльского номера журнала Seventeen в 1990 году. В 1991 году Диас провела три месяца на съёмках рекламы «Кока-колы» в Сиднее.

В 1992 году, в возрасте девятнадцати лет Кэмерон приняла участие в съёмках рекламы кожаного нижнего белья S&M топлесс для итальянского журнала Max, фотографом был Джон Раттер, а продюсером Клиффорд Райт. Фото и видео не были опубликованы. В 2003 году перед выходом фильма «Ангелы Чарли: Только вперёд» Раттер предложил Диас выкупить фото и видео с её участием топлесс за 3,5 миллиона долларов. Он заявил, что предлагает ей первое право отказа; она расценила это как попытку шантажа и подала на него в суд. В июле 2004 года тридцатиминутное видео той самой фотоссесии, названное She’s No Angel было опубликовано на российском веб-сайте. Раттер отрицал свою причастность к этому. Так или иначе, 26 июля 2005 года Раттер был осужден за попытку крупной кражи, подделку документов и лжесвидетельство. 16 сентября 2005 года Раттер был приговорен к более чем трем годам лишения свободы.

В двадцать один год Диас прошла прослушивание на роль знойной джазовой певицы Тины Карлайл в фильме «Маска». Прийти на прослушивание Кэмерон посоветовала работница агентства Elite, к которой обратились продюсеры фильма. После того, как Диас получила роль, она начала ходить на курсы актерского мастерства, так как у неё не было опыта в этой сфере. Фильм «Маска» вошел в десятку самых кассовых фильмов 1994 года, а Кэмерон стала общепризнанным секс-символом.

После оглушительного успеха в кино Диас стали поступать предложения от режиссёров. В 1996 году вышло четыре независимых фильма с Кэмерон в главной роли: «Последний ужин», «Чувствуя Миннесоту», «Только она единственная» и «Как удержаться на плаву». Она также входила в актёрский состав фильма «Смертельная битва», но отказалась от съёмок, так как сломала руку во время репетиции. В 1997 году Диас сыграла роль соперницы героини Джулии Робертс, обеспеченной невесты спортивного журналиста и лучшего друга героини Робертс в фильме «Свадьба лучшего друга». Фильм был признан лучшей романтической комедией всех времен.

В 1998 году Кэмерон сыграла главную роль в фильме «Все без ума от Мэри». Критики восторженно приняли Диас как актрису.