Kalifornien befindet sich auf zwei tektonischer Platten, die über der San-Andreas-Verwerfung aufeinandertreffen. Dies ist der Grund, warum diese Region oft von Erdbeben betroffen ist.

Kalifornien ist 411.000 km² gross und damit nach Alaska sowie Texas der drittgrösste Bundesstaat der USA. Die Fläches Kaliforniens entspricht etwa Paraguay und dem Irak. Der Bundesstaat erstreckt sich von Norden nach Süden über 1200 Kilometer, von Westen nach Osten über etwa 400 Kilometer.
Kalifornien wird im Westen durch den Pazifischen Ozean begrenzt, im Süden durch den mexikanischen Staat Baja California, im Südosten durch Arizona, im Osten durch Nevada und im Norden durch Oregon.
Der höchste Punkt der zusammenhängenden US-Bundesstaaten (Mt. Whitney, 4.418 m) befindet sich auf kalifornischem Gebiet. Etwa 100 Kilometer vom Mt Whitney entfernt erstreckt sich das Wüstengebiet Death Valley (Tal des Todes), hier  befindet sich der niedrigste Punkt der USA (Badwater, - 85,5 m). Das Death Valley wurde von den ersten Siedlern so bezeichnet, da sie hier auf ihren Trecks oft grosse Hitze erlitten, ohne Wasserquellen zu finden.
Kalifornien ist für zahlreiche National- und Naturparks bekannt, zu den bekanntesten zählt der Yosemite-Nationalpark.

Die kalifornische Geographie ist sehr formenreich. In Kalifornien findet man u.a. das fruchtbare Längstal, alpine Berge, Wüsten und  Nebelküsten.
Kalifornien wird oft in Nord- und Südkalifornien unterteilt. Laut dem U. S. Geological Survey befindet sich der geogpraphische Mittelpunkt des Staates in North Fork.

Aus geomorphologischer Sicht kann Kalifornien in 11 klar unterscheidbare Regionen eingeteilt werden. Von Norden nach Süden sind dies: Klamath Mountains, Cascade Range, Modoc Plateau, Basin and Range, Coast Range, Central Valley, Sierra Nevada, Transverse Range, Mojave-Desert, Peninsular Ranges und Colorado-Desert.

Klamath Mountains

Das Gebirge der Klamath Mountains befindet sich im nordwestlichen Kalifornien und im südwestlichen Oregon. Der höchste Punkt wird im Thompson Peak erreicht (2.744 m). Die Klamath Mountains weisen eine sehr vielgestaltige Geologie auf, grosse Bereiche sind durch Serpentinen- sowie Marmorsteine gebrägt. Im Sommer fällt geringer Niederschlag. In den Klamath-Mountains gibt es mehrere endemische Pflanzen (u.a. Fuchsschwanzkiefer und Siskiyou-Fichte.

Cascade Range - Kaskadenkette

Die Gebirgsregion der Kaskadenkette (englisch: Cascade Range) erstreckt sich von British Columbia in Kanada bis in den Norden Kaliforniens. Die Kaskadenkette sind ein Bestandteil des Pazifischen Feuerrings, einem Ring von Vulkanen in den Randgebieten dea Pazifik. Alle bisher bekannten Vulkanausbrüche in den USA fanden in der Kaskadenregion statt. Lassen Peak (der südlichste Vulkan in der Kaskadenkette) war 1921 der bisher letzte Vulkan, der ausbrach.

Modoc-Plateau

Im nordöstlichen Kalifornien befindet sich das Modoc Plateau, das sich bis in die US-Bundesstaaten Nevada und Oregon erstreckt.

Basin and Range - Großes Becken

Basin und Range ist eine ausgedehnte aride Region, zu der auch die Sonora- und Mojave-Wüste in Mexiko gehört. Das trockene, abflusslose Große Becken (englisch: Great Basin) liegt im Osten der Sierra Nevada und befindet sich zum grossen Teil im Staat Nevada.
Im großen Becken befinden sich zahlreiche Gebirgsketten sowie Täler (Owens Valley ist mit mehr als 3000 m das tiefste Tal Nordamerikas).
Der Mono Lake ist der älteste See in Nordamerika. Im Grossen Becken wurden auch zahlreiche ausgetrocknete Seen gefunden, die seit der letzten Eiszeit kein Wasser mehr führen. In einigen dieser Seen findet man Salze wie Borax (u.a. Owens Lake und im Tal des Todes).

Coast Range

Die Coast Range ist ein Küstengebirge, das etwa 109.000 km² umfasst. Zu diesem Gebirge gehören auch die Santa Cruz Mountains im Süden von San Francisco und die Diablo Range im Osten der Stadt. Die Küste im Norden von San Francisco ist durch häufigen Nebel und Niederschlag gekennzeichnet.

Central Valley - Kalifornisches Längstal

Das ausgedehnte (etwa 77.700 km²) und fruchtbare Kalifornische Längstal (englisch: Central Valley) befindet sich zwischen dem Küstengebirge und der Sierra Nevada. Im Norden des Längstals liegt das nach dem gleichnamigen Fluss benannte Sacramento Valley. Im Süden des Längstals befindet sich das ebenfalls nach einem Fluss benannte San Joaquin Valley. Der dritte wichtige Fluss im Längstal ist der in der Bucht von San Francisco mündende Kings River. An den Flüssen gibt es mehrere Binnenhäfen, die Stadt Stockton weist auch einen Seehafen auf.

Sierra Nevada

Die von gletschern geprägte Sierra Nevada (spanisch: verschneites Gebirge) liegt im östlichen Kalifornien. Diese Gebirgskette erreicht in Nord-Süd-Richtung eine Länge von 600 km. Nahe des Ortes Lone Pine findet man den höchsten Punkt in den zusammenhängenden US-Staaten (Mount Whitney, 4.421 m).

In der Sierra Nevada herrscht ein charakteristische Kontinentalklima -  warme Sommer und kalte Winter. In der zentralen Sierra Nevada befindet sich u.a. das Yosemite Valley mit dem großen und tiefen Lake Tahoe.
Die drei größten Nationalparks in diesem Gebirge sind der Yosemite-, Kings-Canyon- und Seqouia-Nationalpark.

Transverse Ranges

Die Gebirgskette Transverse Ranges wird manchmal auch auch Los Angeles Ranges genannt. Sie verläuft für Kalifornien untypisch in West-Ost-Richtung. Die Tehachapi Mountains sind ein Bestandteil der Transverse Ranges.

Mojave Desert - Mojave-Wüste

Die etwa 35.000 km² grosse Mojave-Wüste befindet sich im südöstlichen Kalifornien,  erstreckt sich aber auch nach Arizona, Utah und Nevada. Begrenzungen der Wüste sind die Hochebenen von San Bernadino, die Tehachapi Mountains und die San-Andreas-Verwerfung im Westen.

Peninsular-Ranges

Die Peninsular Ranges (Halbinselgebirge) im Osten von San Diego erstreckt sich bis nach Baja California in Mexiko. Sie sind das südlichste Gebirge Kaliforniens. Zu diesem Gebirgszug gehören die Sierra San Pedro Mártir in Mexzu, die Palomar Mountain Range, die San Jacinto Mountains, die Laguna Mountains und die Santa Ana Mountains.

Colorado Desert - Colorado-Wüste

Die im Süden von Kalifornien und im Nordwesten von Mexiko erstreckt sich die etwa 39.000 km² grosse Colorado-Wüste. Nachdem im Jahr 1905 ein Damm des Colorado-River brach und Wasser in die Colorado-Wüste strömten, entstand nahe der Grenze zu Mexiko mit dem Saltonsee der grösste See in Kalifornien. Die Colorado-Wüste liegt bis zu 100 m unterhalb des Meeresspiegels.