На большей части территории штата климат средиземноморский, с дождливой зимой и сухим летом.

Влияние океана снижает разброс температур, приводит к прохладному лету и тёплой зиме. Из-за холодного Калифорнийского океанского течения вдоль берега часто стоит туман.

При продвижении вглубь территории климат становится более континентальным, с большим разбросом температур зимой и летом. Западные ветры с океана приносят влагу, и северная часть штата получает больше осадков, чем южная. На климат также влияют горы, которые не пропускают влажный воздух с океана далеко вглубь континента.

Северо-западная часть Калифорнии обладает умеренным климатом, суммарное выпадение осадков составляет 38—100 см в год. В Калифорнийской долине преобладает средиземноморский климат, но с бо́льшим разбросом температур. Для гор характерен горный климат, снежная зима и умеренно тёплое лето. К востоку от горных хребтов расположены пустынные районы с холодной зимой и жарким летом.