Родился в Лондоне (точная дата рождения неизвестна) в семье строительного подрядчика. Учился у отца в его «Компании плотников», познакомился с архитектором И.Веаром, который привлек его к работе над книгой о термах древних римлян. После смерти Веара (1766) Камерон отправился в Италию, дабы завершить этот труд, попутно исправив неточности А.Палладио, который подробно обмерил и описал римские термы в 16 в. Таким образом Камерон глубоко проник в образную суть равно и античного и ренессансного (прежде всего палладианского) зодчества. Термы римлян вышли в 1772 на английском и французском языках (русский перевод издан в 1939). Запутавшись в судебной тяжбе с отцом (последовавшей за банкротством последнего в 1775), Камерон не получал крупных заказов на родине.

В 1779 прибыл в Петербург, приглашенный для строительства терм в Царском Селе, и быстро продвинулся на новом поприще, став придворным архитектором Екатерины II. В 1779–1796 реализовал свои мечты о воссоздании если и не грандиозного величия, то по крайней мере изящества и красоты Древнего Рима. В Царском Селе Камерон обновил интерьеры Большого дворца (заменив пышное барокко Ф.Б.Растрелли более строгим классическим декором) и спроектировал целый ряд парковых построек. Главным его творением явились собственно термы, двухъярусный комплекс, состоящий из «Агатовых комнат», «Холодных бань», «Висячих садов» и «Камероновой галереи».

В Павловске замыслы Камерона воплотились во дворце, целиком возведенном по его проекту (с позднейшими достройками В.Ф.Бренны и др.), а также в парковой архитектуре («Храм Дружбы», «Колоннада Аполлона», «Вольер», павильон «Трех граций» и др.). Связывая планировку (в том числе планировку парков и окружающих территорий) в продуманные ансамблевые сочетания с внешним и внутренним пластическим убранством, Камерон стремился к максимальному следованию античным мотивам. Однако его реконструкции отнюдь не казались чересчур рациональными и сухими – благодаря изысканности декоративной отделки, в особенности в интерьерах (украшенных мрамором, стеклом, цветной фольгой, фарфоровыми и бронзовыми вставками, самоцветами и т.д.).

Уволенный Павлом I (1796), Камерон был вновь возвышен при его преемнике. В 1802–1805 состоял главным архитектором Адмиралтейства.

Умер Камерон в Петербурге в конце 1811. Его произведения, пострадавшие в период Второй мировой войны, были реконструированы в 1950–1960-е годы.