Hệ thống các viện đại học nghiên cứu chính của tiểu bang là hệ thống Viện Đại học California (UC), có nhiều nhà nghiên cứu đã đoạt giải Nobel hơn bất cứ cơ sở nào trên thế giới và được coi như một trong những hệ thống viện đại học công lập hàng đầu của Hoa Kỳ. UC có 10 viện đại học thành viên: UC-Berkeley, UC-San Francisco, UC-Los Angeles, UC-San Diego, UC-Davis, UC-Santa Cruz, UC-Santa Barbara, UC-Irvine, UC-Riverside, và UC-Merced. UC-San Franscico chỉ dạy những sinh viên sau đại học ngành y, và Trường Đại học Luật Hastings(Hastings College of Law; một trong những cơ sở trực thuộc hệ thống UC, ngoài 10 thành viên chính, cũng ở San Francisco) là một trong bốn trường luật của UC. Hệ thống UC có mục đích nhận 12,5% của những học sinh cao điểm nhất và thực hiện nghiên cứu sau đại học. UC cũng quản lý một số phòng thí nghiệm liên bang cho Bộ Năng lượng Hoa Kỳ: Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence tại Livermore, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence tại Berkeley, và Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos.