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

年題名役名備考吹き替え
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