Cameron Diaz hizo su debut en el cine a los veintiún años de edad, cautivando a los espectadores como la mujer fatal Tina Carlisle dando la réplica a Jim Carrey en "La máscara". Tras "La máscara", Diaz escogió una pequeña película independiente llamada "La última cena". En esta comedia negra Diaz interpretaba a una graduada liberal y condescendiente al lado de un reparto coral formado por los actores Annabeth Gish, Ron Eldard, Jonathan Penner y Courtney B. Vance.

Su tercer trabajo en la gran pantalla fue la excéntrica historia de amor del guionista y director Steven Baigelman, "Luna sin miel", en la que actuaba junto a Keanu Reeves y Vincent D’Onofrio interpretando a una novia de clase baja que se enamora de su cuñado. Diaz interpretaría posteriormente a una fría y manipuladora neoyorquina en la comedia romántica de Edward Burns, "Ella es única", escrita, dirigida y protagonizada por Burns. A continuación, protagonizó, dando la réplica a Harvey Keitel y Craig Sheffer, el thriller "Solamente se vive una vez".

En 1996, Diaz fue nombrada Estrella Femenina del Mañana en el ShoWest por parte de la Asociación Nacional de Propietarios de Salas de Cine de los Estados Unidos. En 1997, coprotagonizó con Julia Roberts, Dermot Mulroney y Rupert Everett "La boda de mi mejor amigo", que se convirtió en una de las diez películas que más dinero hizo en taquilla ese año. Su interpretación le reportó el Premio Blockbuster Entertainment a la Actriz de Reparto Favorita en una Comedia.

Posteriormente, Diaz interpretó, dando la replica a Ewan McGregor, el papel de una infeliz y mimada niña rica que se enamora de un conserje que accidentalmente la secuestra en el filme de Danny Boyle, "Una historia diferente".

Por su interpretación del papel protagonista de la comedia romántica "Algo pasa con Mary", bajo la dirección de Peter y Bobby Farrelly, Diaz fue premiada con el Premio del Círculo de Críticos de Cine de Nueva York a la Mejor Actriz. También recibió una nominación a los Globos de Oro®, el American Comedy Award, el Blockbuster Entertainment Award y el MTV Movie Award a la Mejor Interpretación Femenina, así como también el Premio Rembrandt a la Mejor Actriz que se concede en Holanda.

Tras intervenir en la comedia negra de Peter Berg, "Very Bad Things", Diaz protagonizó la aclamada por la crítica "Cómo ser John Malkovich", dando la réplica a John Cusack, Catherine Keener y John Malkovich, bajo la dirección del nominado al Oscar® Spike Jonze. Diaz fue nominada a un Globo de Oro, al Screen Actors Guild Award y al British Academy of Film (BAFTA) Award.

En el largometraje del director Oliver Stone, "Un domingo cualquiera", Diaz actuó al lado de Al Pacino, Jamie Foxx, Dennis Quaid, LL Cool J, James Wood y Ann-Margret, interpretando a una dura y joven propietaria de un equipo profesional de fútbol americano. Su interpretación le reportó un Blockbuster Entertainment Award a la Actriz Favorita en un Drama.

Más tarde, coprotagonizaría, dando la réplica a Drew Barrymore y Lucy Liu, "Los ángeles de Charlie", la versión en cine de la serie de televisión de los años setenta. Dirigida por McG, la película rompió los récords de taquilla en Estados Unidos en un fin de semana que no sea fiesta y ha recaudado más de 300 millones de dólares en todo el mundo. Los ángeles ganaron un Blockbuster Entertainment Award y Diaz en concreto obtuvo el Premio a la Mejor Secuencia de Baile en la edición de 2001 de los MTV Movie Awards. En 2003, Diaz, Drew Barrymore y Lucy Liu volvieron a trabajar con el director McG retomando sus papeles de ángeles en "Los ángeles de Charlie: Al límite". La película recaudó más de 250 millones de dólares en todo el mundo.

Intervino en "The Invisible Circus", basada en la aclamada novela de Jennifer Egan y fue vista en Showtime en el filme de Rodrigo Garcia "Things You Can Tell Just By Looking At Her", con Glenn Close, Calista Flockhart, Amy Brenneman y Holly Hunter.

Diaz puso la voz a la alegre princesa Fiona en el éxito de dibujos animados "Shrek", junto a Mike Myers, Eddie Murphy y John Lithgow. "Shrek" fue una de las películas de más éxito de cualquier género de 2001, estableciendo récords de taquilla y apareciendo en las listas de docenas de críticos entre las mejores películas de ese año. La secuela de este filme, "Shrek 2", se convirtió en uno de los mayores éxitos de taquilla de la historia, y está prevista estrenar una tercera entrega de "Shrek" en 2007.

Diaz coprotagonizó el filme de Cameron Crowe, "Vanilla Sky", con Tom Cruise, Penélope Cruz, Jason Lee y Kurt Russell. Su interpretación le reportó sendas nominaciones a los Globos de Oro, los AFI Awards y los SAG Awards, y Diaz fue elegida Mejor Actriz de Reparto por la Asociación de Críticos de Cine de Boston.

En 2002, protagonizó la comedia "La cosa más dulce" con Christina Applegate y Selma Blair. Diaz fue nominada a un Globo de Oro por su interpretación en el largometraje del director Martin Scorsese nominado a los Oscars®, "Gangs of New York". Rodado en Roma, actuaba al lado de Leonardo DiCaprio, Liam Neeson y Daniel Day-Lewis.

Diaz firmó recientemente para rodar una serie de diez episodios para la MTV titulada "Trippin". Rodeada por un cambiante grupo de viajeros, Diaz y su equipo exploraron algunos de los lugares más singulares y exóticos del planeta mientras descubrían formas de preservarlos.