Refusant de s'illustrer dans de grosses productions hollywoodiennes, l'apprentie comédienne privilégie le circuit indépendant en figurant aux génériques de films au budget modeste comme L'Ultime souper (1995), Petits mensonges entre frères (1996), Feeling Minnesota (id.) ou encore Une vie moins ordinaire (1997), où elle remplace au pied levé Julia Roberts dans le rôle d'une jeune fille riche et cynique, amusée par son enlèvement. Les réussites tant critiques que commerciales du Mariage de mon meilleur ami (1997) et de Mary à tout prix (1998) imposent définitivement le potentiel comique de cette blonde sexy et faussement ingénue.

Future mariée hystérique dans Very bad things (1998), enlaidie en épouse siphonnée pour Dans la peau de John Malkovich (1999) ou acceptant d'abaisser son salaire afin de tourner sous la direction d'Oliver Stone dans L'Enfer du dimanche (id.), Cameron Diaz n'hésite pas à prendre des risques et à écorner son image glamour. En 2001 elle fait ses débuts dans le doublage de voix avec Shrek, où elle prête sa voix, mais également ses traits à la Princesse Fiona.

Digne héritière de Farrah Fawcett dans l'adaptation cinéma de Charlie et ses drôles de dames (2000) et sa suite, elle fait dorénavant partie de la fameuse "A List" d'Hollywood, touchant 12 millions de dollars - un véritable record - pour prêter à nouveau sa voix à Fiona dans le film d'animation Shrek2 (2003). La charmante pickpocket de Gangs of New York n'en oublie pas pour autant les rôles de bimbo nunuche qui ont fait sa renommée pour les comédies Allumeuses ! (2002) et In her shoes (2005).

En 2006, Cameron Diaz tourne aux côtés de Kate Winslet, Jude Law et Jack Black dans la comédie romantique The Holiday de Nancy Meyers, avant de retrouver son personnage animé pour le troisième volet des aventures de l'ogre vert, intitulé Shrek le troisième.