カリフォルニア州の気候は、緯度、標高および海岸からの距離によって砂漠気候から亜寒帯気候まで様々である。州の海岸部と南部は地中海性気候であり、幾分雨の多い冬と乾燥した夏を経験する。大洋の影響で一般に極端な気温の上下を抑えており、特に海岸地域では暖かい冬とかなり冷涼な夏を生んでいる。
気温の変化

沖合いの冷涼なカリフォルニア海流は冷たい海面下水の湧昇によって強められ海岸近くで夏の霧を発生させることが多く、北部海岸では温暖な西岸海洋性気候（ケッペンの気候区分 Cfb）を、メンドシーノ岬辺りから南では温暖な地中海性気候（ケッペンの気候区分 Csb）を生んでいる。内陸では大陸性気候に近くなり、その他の地域では半乾燥のステップ気候（ケッペンの気候区分 BSk）となり、冷涼な冬と著しく暑い夏が特徴である。特にセントラルバレーのような標高の低い内陸のバレーでは暑い海洋性気候（ケッペンの気候区分 Csa）となり、亜熱帯気候の気温となるが、はっきりとした夏の乾燥シーズンと冷涼で霧と雨の多い冬のシーズンとに分かれている。

南部の海岸に接している地域と標高の低い内陸のバレーの間の温度差は冬で約 7°F(4℃)（海岸部が暖かい）あり、夏にはおよそ 25°F(14℃)（内陸部が暖かい）ある。温度勾配は海岸部に近づくと最も大きくなる。例えば、サンフランシスコでの7月と8月の日中の平均最高気温は 72°F(22℃) であり、20マイル (32 km) ほど内陸のウォルナットクリークでは 87°F(31℃) となり、1マイル (1.6 km) につき約 1°F(0.6℃) 高くなる[1]。南部では冬の温度差が約 4°F(2℃)、夏の温度差が 23 °F(13℃) となる。海岸部のサンタモニカでは8月の日中の平均最高気温は 75°F(24℃) であり、10マイル (16 km) ほど内陸のバーバンクでは 90°F(32℃) となり、温度勾配は1マイル (1.6 km) につき約 1°F(0.6℃) 以上となる[2]。サンタバーバラとデスバレーの間の温度差が最も極端であり、2地点間の冬の温度差は約 4°F(2℃)、夏の温度差が 35°F(20℃) となる。サンディエゴ市周辺の最南西部では半乾燥で暖かいステップ気候（ケッペンの気候区分 BSh）となり、冬でも乾燥している。内陸のサンバーナーディーノ市では冬の気温が 30 °F(−1℃) まで下がり、夏には109°F(43℃) まで上がる。これは同市が太平洋から100マイル (160 km) 内陸に入っているためである。

南東部は暑い砂漠気候（ケッペンの気候区分 BWh）であり、その北では温暖な砂漠気候（ケッペンの気候区分 BWk）に変わる。州東部、モハーヴェ砂漠の北部にデスバレーがあり、西半球では最も暑い場所となっている。夏には気温が 120°F(49℃) まで上ることが通常である。西半球で記録された過去最高気温は1913年7月10日のデスバレーで、 134°F(57℃) だった。 130°F(54℃) を超える気温が2005年にも観測された。デスバレーの7月における24時間平均気温は 101°F(38℃) である（1961年から1990年の平均）。

下表は各都市の月ごとの平均最高気温と最低気温を示す。上段は摂氏（℃）、下段カッコ内が華氏（°F）である。

年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
ベーカーズフィールド13/4
(56/39)18/6
(64/43)20/8
(68/46)24/10
(76/50)29/14
(84/57)33/18
(92/64)36/21
(97/69)35/20
(95/68})32/18
(89/64)27/13
(80/55)18/7
(65/44})13/3
(56/38)
ボディ4/-14
(40/6)6/-13
(42/8)7/-11
(44/12)11/-8
(51/18)16/-4
(60/25)21/-1
(70/31)25/2
(77/35)24/1
(76/34)21/-3
(70/27)16/-7
(60/19)9/-11
(48/12)5/-14
(41/6)
ユーレカ13/5
(55/41)13/6
(56/42)13/6
(56/42)14/7
(57/44)16/9
(60/48)17/11
(62/51)17/12
(63/53)18/12
(64/53)18/11
(64/51)16/9
(61/48)14/7
(58/44)13/5
(55/41)
デスバレー19/4
(66/39)23/8
(73/46)27/12
(80/54)32/17
(89/62)38/22
(100/71)43/27
(109/80)47/30
(116/86)45/29
(113/84)41/24
(105/75)33/16
(92/61)24/8
(76/47)18/3
(65/37)
フレズノ12/3
(54/38)16/5
(61/41)19/7
(66/45)23/9
(74/48)28/13
(83/55)33/16
(91/61)36/19
(97/66)35/18
(95/65)32/16
(89/60)25/11
(77/52)17/6
(63/42)12/3
(53/37)
ロサンゼルス18/9
(65/48)19/9
(66/49)20/10
(68/50)21/12
(70/53)23/13
(73/56)24/14
(76/58)28/17
(82/62)28/17
(82/63)27/16
(81/61)25/14
(77/58)23/12
(73/53)20/10
(68/50)
パームスプリングス22/6
(71/42)24/8
(76/47)27/11
(81/52)31/15
(87/59)34/18
(94/65)39/23
(103/73)42/26
(107/78)41/26
(106/78)39/22
(102/72)33/17
(92/62)27/9
(80/48)22/5
(72/41)
レディング13/2
(55/36)16/3
(60/38)18/5