Кэмерон Диас родилась 30 августа 1972 года в городе Сан-Диего штата Калифорния, была младшим ребёнком в семье Билли Диас (урождённой 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, птицы, змеи; она мечтала стать зоологом, а о карьере актрисы в то время не задумывалась.