加利福尼亚州地理条件相差悬殊：南部沙漠地区干旱，北部沿海冬季往往因雨雪过多而发生水灾。在相距不到140公里的地方，坐落着海拔4418米的惠特尼山和低于海拔86米的死谷，分别是美国本土48个州的最高点和最低点。沿海多山。海岸山脉的宽度为20～40英里，海拔2000～8000英尺。州的东部，尤其是东南端与东北端是一片沙漠，内华达山脉在这片沙漠以西，蜿蜒430英里，宽50～80英里，高度超过落基山脉。山上的塔霍湖跨加利福尼亚及内华达两州边界，海拔6225英尺，是风景秀丽的湖泊之一。内华达山区有1200多个小湖。

海岸山脉和内华达山脉中间的中央谷地，是一条南北向谷地，长达450英里，占加州总面积1/6，是加州水果、蔬菜、粮食、乳、蛋、牛、鸡的主要产地。谷地内的萨克拉门托河由北向南流，南部之圣华金河向北流，两河汇合向西注入旧金山湾。

全州夏季干旱，多阳光，冬季多雨。受地理条件影响，气候相差悬殊。夏天，东南部科罗拉多沙漠的温度达54℃，接近地球上最高温度；冬季内华达山巅如北极般寒冷。但是，太平洋沿岸的温度一般不超过32℃，也不低于0℃。洛杉矶和旧金山的平均温度分别为18℃和14℃。西北部降水量为4420毫米，东南部科罗拉多沙漠的降水量为50～75毫米，中央谷地年降水量介于200～500毫米间。

加州所处太平洋沿岸有火山，例如圣海伦斯活火山，也有大地震。1906年旧金山大地震，市区全毁。美国西海岸有海岸山脉，更向内有内华达山脉，这些山脉是由北美大陆板块同北太平洋板块互相冲突而隆起形成。南起加利福尼亚湾，向北经过洛杉矶市区，直贯旧金山半岛后继续向北，这条大断层线叫做圣安德烈亚斯大断层。此线以东是海岸山脉，上升，以西是海岸，向太平洋洋底滑落。每过100多年，即有一次震动，使此断层向下滑跌。1905年大地震时，岩层移位25厘米。

美国“调查报道中心”在报告中说，加利福尼亚州2014年夏季出现了至少50年来最严重的地面下沉；2015年夏季预计情况将继续恶化。

科学家们在上世纪30年代首次发现加州地面下沉现象，60年代达到顶峰，直至70年代得到遏制，主要归因于加州完成了大规模的灌溉沟渠网络建设，从水量丰富的地区引水至中央谷地等地区，减少当地对地下水的依赖。

2012年，地质勘探局科学家米歇尔・斯尼德发现，在圣华金河沿岸地区，地陷又有加剧趋势，速度比1987年至1992年旱灾时期更快。在最严重的地区，2012年地面下陷速度达到大约30厘米。由于没有继续跟踪监测，斯尼德和其他研究人员推断，2012年以后的地陷速度可能加倍，达到每年60厘米。