Cameron Diaz est née le 30 août 1972 à San Diego, en Californie. Elle est la plus jeune fille de Emilio Diaz, d'origine espagnole et cubaine, et de Billie Diaz (née Early), d'origine anglaise, germanique, néerlandaise et amérindienne. Son père, décédé en 2008, travaillait pour une compagnie pétrolière californienne ; sa mère, quant à elle, a travaillé dans l'import-export.


À 16 ans, après avoir été repérée par un photographe, Cameron Diaz débute une carrière dans le mannequinat. Embauchée par l'agence Elite, elle passe plusieurs années à travailler un peu partout dans le monde et obtient des contrats avec de grandes marques : Calvin Klein, Levi's, Coca-Cola ou encore Nivea. En juillet 1990, à presque 18 ans, elle fait la couverture du magazine Seventeen.