Kalifornia je po Aljaške a Texase tretím najväčším štátom v USA v tejto oblasti. Kalifornia je často geograficky rozdelená na dva regióny, južnú Kaliforniu s 10 najjužnejšími okresmi a severnú Kaliforniu s 48 najsevernejšími krajmi. Na severe hraničí s Oregonom, na východe a severovýchode s Nevadou, na juhovýchode s Arizonou, na západe s Tichým oceánom a na juhu má spoločnú medzinárodnú hranicu s mexickým štátom Baja California. regiónu Californias v Severnej Amerike, spolu s Baja California Sur).
Uprostred štátu leží kalifornské centrálne údolie, ktoré je na východe ohraničené pohorím Sierra Nevada, na západe pobrežnými pohoriami, na severe Kaskádovým pohorím a na juhu pohorím Tehachapi. Central Valley je produktívnym poľnohospodárskym srdcom Kalifornie.
Severná časť, ktorú delí delta rieky Sacramento-San Joaquin na dve časti, predstavuje údolie Sacramento ako povodie rieky Sacramento, zatiaľ čo južná časť je údolím San Joaquin povodím rieky San Joaquin. Obidve údolia odvodzujú svoje mená od riek, ktoré nimi pretekajú. Vďaka bagrovaniu zostali rieky Sacramento a San Joaquin dostatočne hlboko na to, aby z nich mohlo byť niekoľko prístavov vo vnútrozemských mestách.
Delta rieky Sacramento-San Joaquin je pre štát kritickým uzlom zásobovania vodou. Voda je odvádzaná z delty a prostredníctvom rozsiahlej siete čerpadiel a kanálov, ktoré prechádzajú takmer po celej dĺžke štátu, do stredného údolia a štátnych vodných projektov a ďalších potrieb. Voda z Delta poskytuje pitnú vodu pre takmer 23 miliónov ľudí, takmer dve tretiny obyvateľov štátu, ako aj voda pre poľnohospodárov na západnej strane údolia San Joaquin.
Zátoka Suisun leží na sútoku riek Sacramento a San Joaquin. Vodu odvádza Carquinezov prieliv, ktorý sa vlieva do zálivu San Pablo Bay, severného predĺženia zálivu San Francisco Bay, ktorý sa potom spája s Tichým oceánom prielivom Golden Gate.
Normanské ostrovy sa nachádzajú pri južnom pobreží, zatiaľ čo ostrovy Farallon ležia západne od San Francisca.
Sierra Nevada (v španielčine „zasnežená oblasť“) zahŕňa najvyšší vrchol v susedných 48 štátoch Mount Whitney s výškou 4 421 m. 14505 stôp. Rozsah zahŕňa Yosemitské údolie, ktoré je známe svojimi ľadovcovo vyrezávanými kupolami, a národný park Sequoia, ktorý je domovom obrovských sekvojových stromov, najväčších živých organizmov na Zemi a hlbokého sladkovodného jazera Lake Tahoe, najväčšieho jazera v štáte podľa objemu.
Na východ od pohoria Sierra Nevada sa nachádzajú údolie Owens a jazero Mono, ktoré sú nevyhnutným biotopom sťahovavých vtákov. V západnej časti štátu sa nachádza Clear Lake, najväčšie sladkovodné jazero v celej Kalifornii. Aj keď je Lake Tahoe väčšie, rozdeľuje ho hranica medzi Kaliforniou a Nevadou. Sierra Nevada v zime klesá na arktické teploty a má niekoľko desiatok malých ľadovcov, medzi nimi aj ľadovec Palisade, najjužnejší ľadovec USA.
Jazero Tulare bolo najväčšie sladkovodné jazero západne od rieky Mississippi. Pozostatok jazera Corcoran z doby pleistocénu, jazero Tulare, vyschlo začiatkom 20. storočia po presmerovaní jeho prítokových riek na poľnohospodárske zavlažovanie a na komunálnu vodu.
Asi 45 percent z celkovej rozlohy štátu pokrývajú lesy a rozmanitosť borovíc v Kalifornii neprekonal žiadny iný štát. Kalifornia obsahuje viac lesov ako ktorýkoľvek iný štát okrem Aljašky. Mnoho stromov v kalifornských Bielych horách je najstarších na svete; jednotlivá borovica čečina je stará viac ako 5 000 rokov.
Na juhu je veľké vnútrozemské soľné jazero, Saltonské more. Juh-stredná púšť sa nazýva Mojave; na severovýchod od Mojave leží Údolie smrti, ktoré obsahuje najnižšie a najteplejšie miesto v Severnej Amerike, povodie Badwater vo výške -85 m. Horizontálna vzdialenosť od dolnej časti Údolia smrti po vrchol Mount Whitney je necelých 140 míľ. Takmer celá juhovýchodná Kalifornia je skutočne suchá, horúca púšť, s bežnými extrémnymi teplotami počas leta. Juhovýchodnú hranicu Kalifornie s Arizonou úplne tvorí rieka Colorado, z ktorej južná časť štátu získava asi polovicu jeho vody.
Väčšina kalifornských miest sa nachádza buď v oblasti San Francisco Bay Area alebo v metropolitnej oblasti Sacramento v severnej Kalifornii; alebo oblasť Los Angeles, Riverside-San Bernardino-Inland Empire alebo metropolitná oblasť San Diego v južnej Kalifornii. Oblasť Los Angeles, oblasť Bay a metropolitná oblasť San Diego patria medzi niekoľko hlavných metropolitných oblastí pozdĺž kalifornského pobrežia.
V rámci Ohnivého kruhu je Kalifornia vystavená vlnám tsunami, povodniam, suchu, vetrom Santa Ana, lesným požiarom, zosuvom pôdy v strmom teréne a má niekoľko sopiek. Má ma zemetrasenia v dôsledku niekoľkých porúch prebiehajúcich v štáte, z ktorých najväčšia je porucha San Andreas. Každý rok je zaznamenaných asi 37 000 zemetrasení, ale väčšinou sú príliš malé na to, aby ich bolo cítiť.