Hija de Emilio Díaz, capataz de una empresa petrolífera (cubano) y de Billie Díaz, agente de exportación (ascendencia alemana, inglesa e india cherokee).

Desde siempre se ha sentido un poco en tierra de nadie. Por una lado la gente se sorprendía al descubrir tras su apellido a una chica rubia de ojos azules y la comunidad hispana tampoco la recibía bien del todo, ya que no hablaba castellano.

Emilio y Billie Díaz ofrecieron a sus dos hijas, Cameron y su hermana mayor Chimene una educación liberal y desenfadada en Long Beach (norte de San Diego). Nunca fue una buena estudiante y se inclinó siempre más por los juegos de niños que por las muñecas. Era una niña muy extrovertida, a la que le encantaba el heavy metal. Su idea fue siempre la de estudiar zoología, ya que le encantan los animales, pero cuando tenía 16 años, en una glamurosa fiesta conoció a un fotógrafo de la agencia Elite, que se quedó tan sorprendido con ella que le propuso hacerse modelo. Pasó los siguientes 5 años recorriendo todo el planeta (con el consentimiento de sus padres).

Vivió en Japón, Australia, México, Marruecos y París. A los 19 años ya tenía sus propios apartamentos en Los Angeles y París. Como modelo hizo trabajos para revistas como "Mademoiselle" y "Seventeen", y realizó anuncios para Calvin Klein, Levi`s, Coca Cola y Nivea.

Al conocer al productor de cine Carlos de la Torre (con el que mantendría una relación durante 5 años) comenzó a interesarse por el cine y decidió, en 1994, presentarse a las pruebas de casting de "La Máscara", dirigida por Chuck Russell y protagonizada por Jim Carrey. Tuvo que repetir la prueba 12 veces, pero al final consiguió su objetivo de participar en la película. El papel al que se presentó era un papel diferente y mucho más corto que el interpretó al final, pero los productores coincidieron en que debía representar un papel con más protagonismo. Esto le supuso una úlcera de estómago a causa del estrés.

El gran éxito de su primera interpretación provocó que empezaran a lloverle multitud de ofertas, las cuales eran bastante sabrosas (económicamente hablando), pero ella prefirió su camino en el cine independiente. Así, su siguiente película, "Luna sin miel", no funcionó en taquilla demasiado bien, ni fue bien acogida por la critica, pero le sirvió para adquirir experiencia de la mano de actores como Vincent D`Onofrio, Dan Aykroyd o Keanu Reeves.

Tras ésta vinieron películas modestas como "La última cena", "Ella es única" y "Solamente se vive una vez", en la que coincidió con Harvey Keitel.

Por fín, en 1997 aparece como protagonista junto a Julia Roberts en "La boda de mi mejor amigo"; en ella ocupa el papel secundario tras la verdadera protagonista, Julia Roberts. El éxito en taquilla vuelve a ser arrollador, y por tanto, comienzan de nuevo a aparecer ofertas millonarias que ella siguió rechazando.

Su siguiente trabajo, "Una historia diferente", es una comedia de los creadores de "Trainspotting", en la que acompaña en el reparto a Ewan McGregor. Pero el gran bombazo llegaría en 1998, al protagonizar la comedia de los hermanos Peter y Bobby Farrely, "Algo pasa con Mary", en la que compartía reparto con Ben Stiller y Matt Dillon, que además era su compañero sentimental en ese momento.

Con esta interpretación obtuvo una nominación al Globo de Oro como Mejor Actriz de Comedia y el Premio del Círculo de Críticos de Nueva York. Luego vienen films como "Very Bad Things", junto a Christian Slater, "Un Domingo Cualquiera", de Oliver Stone o "Cómo ser John Malkovich", de Spike Jonze, en la que tuvo que cambiar de imagen afeándose los dientes y tiñéndose el pelo de castaño.

El tercer bombazo comercial y más rentable para ella (2.400 millones de pesetas) llega en el año 2000 con "Los Ángeles de Charlie". No estaba muy segura de querer involucrarse en un largo rodaje con demasiadas exigencias físicas, pero finalmente fue convencida por su compañera de reparto, además de productora de la película, Drew Barrimore. Para rodar el filme tanto ella como sus dos compañeras de reparto (Drew y Lucy Liu) tuvieron que someterse durante meses a un intesivo entrenamiento de artes marciales. El rodaje estuvo lleno de problemas y se realizaron numerosas revisiones del guión.

A partir de ese momento no ha parado de trabajar, participando en "Cosas que diría con solo Mirarla", "Shrek" (dando voz a la princesa Fiona), "The Invisible Circus", "La Cosa más Dulce" y "Vanilla Sky", por la que fue nominada al Globo de Oro como mejor actriz secundaria.

Pero, posiblemente, su mayor oportunidad como actriz, le llegó de manos de Martin Scorsese que contó con ella, junto a Leonardo DiCaprio, para su retrato de la mafia de comienzos de siglo en Nueva York "Gangs of New York", que se rodó en los estudios Cinecittá de Roma.

Tras "Gangs of New York" rodó la segunda parte de "Los Ángeles de Charlie", "En sus zapatos" y la segunda y tercera parte de "Shrek" entre otras...