California memiliki alam yang indah menonjolkan lembah tengah yang luas, gunung tinggi, padang pasir yang panas, dan pesisiran pantai yang indah. Dengan luas wilayah 410.000 km² ia merupakan negeri ke-3 terbesar di AS. Kebanyakan bandar rayanya tertumpu di pesisiran Pasifik yang sejuk, yang paling dikenal termasuklah Los Angeles, San Francisco, San Jose, Santa Ana/Orange County, dan San Diego. Namun, ibu negerinya iaitu Sacramento terletak di Central Valley.

California memiliki geografi yang pelbagai. Di tengah negara bagian ini terletak Central Valley, sebuah lembah yang besar, dan subur dibatasi oleh barisan gunung pesisir di barat, Sierra Nevada granit di timur, Cascade Range gunung berapi di utara, dan Pegunungan Tehachapi di selatan. Sungai, dam, dan kanal menyediakan air untuk pengirigasian Central Valley. Dengan "dredging", beberapa sungai ini telah menjadi cukup besar dan dalam, sehingga membuat beberapa kota dalam, terutama Stockton, California, menjadi sebuah pelabuhan.

Di tengah dan timur negeri ini adalah banjaran Sierra Nevada, dimana terletaknya gunung tertinggi di AS, Gunung Whitney dengan ketinggian 4.421m (14.505 kaki). Juga terletak di Sierra adalah Taman Nasional Yosemite yang terkenal di dunia dan sebuah tasik air tawar dalam, Tasik Tahoe, tasik terbesar di negeri ini berdasarkan isipadunya. Di timur Sierra adalah Lembah Owens dan Tasik Mono, sebuah habitat burung laut penting. Di barat adalah Tasik Clear, tasik air tawar terbesar California berdasarkan luas permukaan.

Di selatan terletak Transverse Ranges dan sebuah tasik air masin besar, Laut Salton. Gurun tengah-selatan disebut Mojave. Di timur laut Mojave terletak Death Valley, yang merupakan titik terpanas di Amerika Utara. Titik terendah Death Valley dan puncak Gunung Whitney terpisah kurang dari 200 mil. Trek hiking antara dua titik telah dicoba, beberapa kali, terutama oleh Lee Bergthold.

California terkenal dengan gempa buminya kerana berada di lingkaran San Andreas Fault. Meskipun gempa yang lebih kuat terjadi di Alaska dan sepanjang Sungai Mississippi, gempa di California terkenal kerana frekuensinya dan letaknya di wilayah yang ramai penduduk. Beberapa orang percaya, pada akhirnya, sebuah gempa bumi besar akan menyebabkan putusnya pesisir California dengan benua, dan akan tenggelam ke lautan atau membentuk sebuah tanah baru. Senario ini sebenarnya tidak mungkin menjadi kenyataan dari segi geologi, namun ia masih dipercayai oleh orang awam. Para produser filem pula sering mengeksploitasi kemungkinan ini. Filem terkenal yang menggambarkan kerosakan California oleh gempa bumi termasuk Earthquake, A View to Kill, Escape from L.A., dan Superman.

California juga merupakan pusat beberapa gunung berapi, beberapa masih aktif seperti Gunung Mammoth. Gunung berapi lainnya termasuk Lassen Peak yang meletus sejak 1914 dan 1921, dan Gunung Shasta.