カリフォルニア州の地理は多様である。中でもシエラネバダ山脈、セントラル・バレーの肥沃な農地、および南部の乾燥したモハーヴェ砂漠が大きな特徴である。世界でも最も特徴的な樹木としては、最も樹高が高い木であるコーストレッドウッド（Sequoia sempervirens）、最も容積が大きい木であるジャイアントセコイア（Sequoiadendron giganteum）、また最も樹齢の長い木であるブリストルコーンパインがある。大陸48州の中では最も標高の高いホイットニー山と、最も標高が低い地点のあるデスヴァレーがある。

カリフォルニア州は通常北カリフォルニアと南カリフォルニアに区分されるが、その境界がはっきりと定義されているわけではない。サンフランシスコは北カリフォルニアの都市であり、ロサンゼルスは南カリフォルニアの都市であるが、その間の地域は地理上の特徴ではっきりした差がないことの方が多い。アメリカ地質調査所はカリフォルニア州の地理重心をノースフォークにあると定義している。

地球科学者は通常カリフォルニア州を11のはっきりした境界を持つ地形区域に分けている。北から南にクラマス山脈、カスケード山脈、モドック高原、ベースン・アンド・レンジ、セントラル・バレー、シエラネバダ山脈、トランスバース山脈、モハーヴェ砂漠、半島山脈、およびコロラド砂漠である。本稿ではロサンゼルス盆地、チャンネル諸島および太平洋をその他の区域として扱う。
北カリフォルニアウェディングケーキ峰とトンプソン峰
クラマス山脈

クラマス山脈はカリフォルニア州北西部からオレゴン州南西部の山脈であり、最高峰はトリニティ郡にあるトンプソン峰（標高2,744 m）である。地質的に多様であり、蛇紋石と大理石が多く、夏は極端に雨が少ない。その地質のためにローソンヒノキ (Chamaecyparis lawsoniana)、フォックステイルパイン (Pinus balfouriana)、ブルワーズスプルース (Picea breweriana) およびカルミオプシス (Kalmiopsis leachiana) など固有種やそれに近い種があり、特徴ある植物相になっている。
カスケード山脈シャスタ山、州間高速道路5号線からの眺め

カスケード山脈はカナダのブリティッシュコロンビア州からカリフォルニア州の北部に伸びる山脈である。太平洋を取り巻く火山の連なりである環太平洋火山帯に属している。大陸アメリカ合衆国の歴史で分かっている火山の噴火はすべてこのカスケード山脈にある火山のものである。カリフォルニア州で現在までの最後の噴火は1914年から1921年まで噴火活動を続けたラッセン山のものだった。ラッセン山はカスケード山脈の中では最も南に位置する活火山である。

この山脈はオレゴン州とネバダ州に境を接してカリフォルニア州の北東部にあり、セントラル・バレーやシエラネバダ山脈の最北部にも接している。その中心はトリニティアルプスに近いシャスタ山である。シャスタ山は休火山だが、シャスタ山あるいはそれに属する小さい峰であるシャスティナが18世紀に噴火したという記録がある。
モドック高原

モドック高原はカリフォルニア州の北東部隅にあり、標高4,000から6,000フィート (1,200 - 1,800 m) の溶岩流に、噴石丘、ビャクシンの平原、松林および季節によってできる湖がある。面積100万エーカー (4,000 km2) に近いモドック国立の森が西のメディシン湖高地と東のワーナー山脈の間にある。この高原にはミュールジカ (Odocoileus Hemionus)、ロッキー山脈エルク (Cervus Canadensis) およびプロングホーン・アンテロープ (Antilocapra Americana) の大きな群れが生息している。また野生の馬の群れも見られる。クリア湖国立野生生物保護区とロングベル州立動物保護区もこの高原内にある。ロスト川が高原の北側を流れ、一方南部の水流は盆地の貯水池に集まるか、モドック郡の中央にあるビッグセージ貯水池に流れ込んでいる。
ベースン・アンド・レンジモノ湖

シエラネバダ山脈の東にベースン・アンド・レンジ地質区があり、ネバダ州まで広がっている。この地質区は一連なりの山脈と谷（学術的には地塁と地溝）であり、地殻の水平方向への伸びによって形成される。