2000年に『チャーリーズ・エンジェル』に主人公3人組の1人であるナタリー役で出演し、この映画は2.64億ドルの興行収益を上げた。シリーズ続編でも主演し、人気を博した。翌年にはトム・クルーズ主演の『バニラ・スカイ』に出演し、その演技によりゴールデングローブ賞を含むいくつもの賞にノミネートされた。

2001年からはアニメ映画『シュレック』シリーズのフィオナ姫の声優を務めている。トロント国際映画祭(2005年)

2005年よりMTVで『TRIPPIN' キャメロン・ディアス世界（珍）冒険紀行』に出演。この番組はドキュメンタリー番組で、彼女が友人と共に世界の辺境の地や世界遺産を巡っている。彼女は同番組のプロデューサーも務めている。

『ギャング・オブ・ニューヨーク』や『私の中のあなた』のようなシリアスな映画にも出演しているが、原点であるコメディ映画の方が売れ行きは良い。『ナイト＆デイ』や『グリーン・ホーネット』、『バッド・ティーチャー』などは興行収入が2億ドル越えを記録している。(2010年)

2014年公開の『ANNIE/アニー』への出演を最後に活動を休止しており、その理由について20年に渡る撮影のための旅に疲れたと、インタビューで説明した[4]。

2018年3月12日、親友のセルマ・ブレアが「彼女は女優を引退した」と伝えた[5]。直後に冗談だったと否定したものの、後に本人が自身の口から引退を認めた[6]。

2021年2月時点のインタビューに於いては、必ずしも引退を決定したわけでは無いことを次のようにコメントしている。「私は絶対にという言葉を何に対しても使ったことがないの。だからまた映画に出るかといわれたら、その予定はないけど、わからないと答えるしかないわ。母親になった今、子供の最初の1年に、映画のセットに1日14時間から16時間も子供と離れていないといけないなんていうことが、想像できないだけなのよ」[7]。

2022年6月29日、8年ぶりに女優に復帰する事を米CNNなどが伝えた[8]。
私生活

過去にマット・ディロンやジャレッド・レトとの交際歴がある。2006年まで歌手のジャスティン・ティンバーレイクと交際していたが2007年1月、「ロマンチックな関係を終えた」と破局を発表した。一説によれば、ジャスティンが自身の曲のPV内で女優のスカーレット・ヨハンソンと恋人を演じ、それを見たキャメロンが嫉妬し、破局。その後イギリス人モデルのポール・スカルフォー（英語版）と交際し、ロンドンで物件を探していたことから一時は結婚かといわれていたが、結局破局に至った。その後メジャーリーガーでニューヨーク・ヤンキースの主砲であるアレックス・ロドリゲスと交際中と報道されたが同年9月の時点で別れている[9]。

2015年1月5日、7歳年下の米パンクバンド「グッド・シャーロット」のミュージシャン・ベンジー・マッデン（当時35歳）と米ロサンゼルス近郊ビバリーヒルズの自宅で結婚式を挙げた。義妹（ベンジーの双子の弟・ジョエル・マッデンの妻）はニコール・リッチー。

2019年、第1子となる女児が誕生した[10]。キャメロン・ディアスとベンジー・マッデン夫妻は2020年1月3日、インスタグラムで、「明けましておめでとう！娘、ラディックス・マッデンの誕生を発表することで、この新たな10年をスタートできることを幸せに思い、感謝しています」とコメント。

2024年3月、51歳で第2子を出産[11]。
出演作品
映画

公開年邦題
原題役名備考吹き替え
1994マスク
The Maskティナ・カーライル伊藤美紀（ソフト版）
井上喜久子（日本テレビ版）
1995最後の晩餐/平和主義者の連続殺人
The Last Supperジュード（吹き替え版なし）
1996彼女は最高
She's the Oneヘザー
フィーリング・ミネソタ
Feeling Minnesotaフレディ・クレイトン渡辺美佐
真夏の出来事
Head Above Waterナタリー山像かおり
1997ブラック・メール/脅迫
Keys to Tulsaトゥルーディ（吹き替え版無し）
ベスト・フレンズ・ウェディング
My Best Friend's Weddingキンバリー・ウォレス沢海陽子（ソフト版）
根谷美智子（日本テレビ版）
普通じゃない
A Life Less Ordinaryセリーヌ・ネヴィル三石琴乃（ソフト版）
井上喜久子（テレビ朝日版）
1998ラスベガスをやっつけろ
Fear and Loathing in Las Vegas金髪のテレビレポーター園田恵子（VHS・旧ソフト版）
沢海陽子（BD・新ソフト版）
メリーに首ったけ
There's Something About Maryメリー・ジェンセン伊藤美紀
ベリー・バッド・ウェディング
Very Bad Thingsローラ・ガレッティ
1999マルコヴィッチの穴
Being John Malkovichロッテ・シュワルツ佐々木優子
エニイ・ギブン・サンデー
Any Given Sundayクリスティーナ・パグニアーチ佐々木優子（ソフト版）
井上喜久子（テレビ朝日版）
深見梨加（日本テレビ版）
2000彼女を見ればわかること
Things You Can Tell Just by Looking at Herキャロル・ファーバー高橋理恵子
チャーリーズ・エンジェル
Charlie's Angelsナタリー・クック沢海陽子（ソフト版）
渡辺美佐（テレビ朝日版）
2001姉のいた夏、いない夏。
The Invisible Circusフェイス安藤麻吹
シュレック
Shrekプリンセス・フィオナ声の出演藤原紀香
バニラ・スカイ
Vanilla Skyジュリアナ・“ジュリー”・ジャンニ渡辺美佐
2002クリスティーナの好きなコト
The Sweetest Thingクリスティーナ・ウォルターズ沢海陽子
My Father's House少女N/A
マイノリティ・リポート
Minority Reportカメオ出演
ギャング・オブ・ニューヨーク
Gangs of New Yorkジェニー・エヴァディーン魏涼子（ソフト版）
林真里花（日本テレビ版）
2003チャーリーズ・エンジェル フルスロットル
Charlie's Angels: Full Throttleナタリー・クック藤原紀香（劇場公開版）
渡辺美佐（テレビ朝日版）
2004シュレック2
Shrek 2プリンセス・フィオナ声の出演藤原紀香
2005イン・ハー・シューズ
In Her Shoesマギー・フェラー朴?美
2006ハリウッドわんわんスター大集合
HOLLWOOD'S　TOP　DOGS本人役