A sedici anni intraprese la carriera di modella per l’agenzia Elle e, dopo aver concluso la High School, andò a lavorare in Giappone. Tornata negli Stati Uniti, continuò l’attività di modella, che la portò a girare il mondo.
A 21 anni, la Diaz si presentò ai provini per il film The Mask, con Jim Carrey. Con sua grande sorpresa, essendo priva di esperienze cinematografiche, fu scelta per il ruolo di protagonista femminile. Iniziò quindi a prendere lezioni di recitazione.
Nei successivi tre anni recitò in film indipendenti, come Una cena quasi perfetta, Due mariti per un matrimonio e Il senso dell'amore.
Riprese ad interpretare produzioni commerciali con Il matrimonio del mio migliore amico e Tutti pazzi per Mary. Ben accolto dalla critica fu anche il suo ruolo in Essere John Malkovich, che le procurò diversi premi.
È stata anche protagonista del primo film Charlie's Angels, adattamento cinematografico della fortunata serie degli anni settanta. Per il seguito, Charlie's Angels: più che mai divenne la seconda attrice, dopo Julia Roberts, a ricevere un compenso di venti milioni di dollari per un singolo ruolo, anche se il film non fu fortunato al botteghino. Doppiò anche un personaggio del film animato Shrek e del sequel, per cui incassò dieci milioni di dollari. Nel 2001, il suo ruolo in Vanilla Sky le fece guadagnare diversi premi.
