Địa lý California phong phú, phức tạp và đa dạng. Giữa tiểu bang có thung lũng Trung tâm, một thung lũng lớn, màu mỡ được bao quanh bởi những dãy núi bờ biển ở phía tây, dãy núi đá granit Sierra Nevada ở phía đông, dãy núi Cascade có đá lửa ở miền bắc, và dãy núi Tehachapi ở miền nam. Các sông, đập nước, và kênh chảy từ các núi để tưới thung lũng Trung tâm. Nguồn nước của phần lớn tiểu bang do Dự án Nước Tiểu bang cung cấp. Dự án Thung lũng Trung tâm hỗ trợ hệ thống nước của một số thành phố, nhưng chủ yếu cung cấp cho việc tưới tiêu nông nghiệp. Nhờ nạo vét, vài con sông đã đủ rộng và sâu để cho vài thành phố nội địa (nhất là Stockton) được trở thành hải cảng. Trung lũng Trung tâm nóng nực và màu mỡ là trung tâm nông nghiệp của California và trồng một phần lớn cây lương thực của Mỹ. Tuy nhiên, việc trồng trọt bị tàn phá bởi nhiệt độ thấp gần điểm đông trong mùa đông. Phía nam của thung lũng, một phần là sa mạc, được gọi là thung lũng San Joaquin, do nước chảy xuống sông San Joaquin, còn phía bắc được gọi là thung lũng Sacramento, do nước chảy xuống sông Sacramento. Châu thổ vịnh Sacramento – San Joaquin vừa là cửa sông quan trọng hỗ trợ hệ sinh thái nước mặn và vừa là nguồn nước chủ yếu của phần lớn dân cư tiểu bang.