Camilla est née sous le nom de Camilla Belle Routh à Los Angeles, en Californie, de Deborah, créatrice de mode, et de Jack Wesley Routh, compositeur de musique country et propriétaire d'une entreprise de construction. Sa mère est brésilienne et son père, originaire de Kingman, au Kansas, a des ancêtres anglais, allemands et français. Camilla est fille unique. Elle a été nommée d'après un personnage joué par Renata Sorrah dans le feuilleton brésilien Cavalo de Aço (1973), le feuilleton préféré de sa mère. Cependant, la plupart des gens l'appellent par son deuxième prénom Belle.

Elle est allée à l'école primaire catholique St Paul's à West Los Angeles et, par la suite, elle a fréquenté l'école d'élite Marlborough School à Los Angeles. A l'école, elle a étudié le piano classique et aimait les langues. Elle parle couramment le portugais.

Camilla est apparue dans une publicité imprimée nationale avant l'âge de 1 an et, à l'âge de 5 ans, dans deux téléfilms Trouble Shooters : Trapped Beneath the Earth (1993) et Empty Cradle (1993). En raison de son travail, elle n'avait jamais terminé une année scolaire complète. Ainsi, à l'âge de 13 ans, elle a pris congé pour se concentrer sur ses études. Elle est retournée au travail à l'âge de 16 ans, avec le rôle principal dans le film La Ballade de Jack et Rose (2005). Le rôle qui lui a fourni sa première grande exposition a été Roland Emmerich's 10.000 BC (2008).

De 2006 à 2008, elle a eu un avant-goût du monde de sa mère avec quelques emplois dans la mode - elle a été mannequin pour le parfum Princess de Vera Wang.

Camilla est également impliquée dans diverses associations caritatives et est porte-parole international de "Kids With A Cause".