30 Ağustos 1972'de California San Diego'da doğdu. Küba kökenli Emilio Diaz ve İngiliz-Alman kökenli Billie Early'nin çocuğudur. Chimene adında bir kızkardeşi vardır. Los Cerritos Ortaokulu ve Long Beach Politeknik Lisesi'ni bitirdi. 16 yaşında Hollywood'da bir partide tanıştığı fotoğrafçı sayesinde Elite Model Ajansı ile bir anlaşma imzaladı. Modellikteki başarısı sonrasında Japonya, Avustralya, Morocco ve Paris'te çalışmaya, Mademoiselle ve Seventeen gibi dergileride resimlerinin çıkmasına ve Calvin Klein, Coca Cola ve Levi's gibi büyük şirketlerin reklam kampanyalarında rol almasına neden oldu. 1994’te Jim Carrey'nin başrol oynadığı Maske (The Mask) adlı aksiyon komedi filminde sinema kariyerine ilk adımını attı.
Maske'nin ardından Head Above Water, Feeling Minnesota, She's The One gibi filmlerde başrolde oynayan Diaz, 1998'de Hiç Hesapta Yokken filminde yine başroldeydi. Aynı yıl Ben Stiller ve Matt Dillon'la oynadığı Ah Mary Vah Mary filmiyle beğeni kazandı. 2000'de Charlie'nin Melekleri filminde başrolü Drew Barrymore ve Lucy Liu ile paylaştı. 2001'de ünlü animasyon Şrek'te Prenses Fiona'nın orijinal seslendirmesini yaptı. Sonraki filmlerde de aynı karakteri seslendirdi. İspanyol Aç Gözlerini filminden uyarlanan Vanilla Sky'da Tom Cruise'un kıskanç sevgilisi Julie karakterini canlandırdı. 2002'de Martin Scorsese'nin New York Çeteleri filminde oynadı. Yerinde Olsam, Tatil, Kız Kardeşimin Hikayesi, Burada Olan Burada Kalır gibi filmlerde oynadı. Gece ve Gündüz filminde bir kez daha Tom Cruise'la çalıştı.
2015'te Benji Madden'la evlenen Diaz, 2018 yılının Mart ayında, sinemadan emekli olmuş sayılabileceğini açıkladı. Diaz, en son 2014 yılında Annie ve Kaset İşi gibi filmlerde rol almıştı. 2013'te The Body Book: Feed, Move, Understand and Love Your Amazing Body adlı bir sağlıklı yaşam kitabı yazdı.
