I den ursprungliga domen sades det att långa förseningar i avrättningen av fångar innebar att dödsstraffet var "korrekt och ovanligt".
Appellationsdomstolen har nu avfärdat detta utslag som juridiskt bristfälligt och kullkastat det av processuella skäl.
Separata juridiska argument om dödliga injektioner innebär att avrättningar i Kalifornien fortsätter att avbrytas.
Det senaste fallet togs upp av Ernest DeWayne Jones, som dömdes till döden för 20 år sedan för våldtäkt och mord på sin flickväns mor.
Hans advokater hävdade att långa förseningar i överklagandeprocessen innebar att endast ett "slumpvis fåtal" av dem i dödscellen faktiskt dödades.
Mer än 900 personer har dömts till döden i Kalifornien sedan 1978, men bara 13 har avrättats.
En tingsrätt uttalade sig till Jones fördel i juli 2014 och kritiserade den "dysfunktionella processen för omprövning efter en konflikt".
Men på torsdag drog appellationsdomstolen för den nionde kretsen slutsatsen att det rättsliga prejudikatet innebar att domstolarna inte borde överväga sakens förtjänster.
Ingen har dödats i Kalifornien sedan 2006 och avrättningar kommer att hållas kvar i väntan på separata rättsliga argument om huruvida dödliga injektioner är konstitutionella.
En federal appellationsdomstol i USA har avvisat en dom som förklarade att dödsstraffet i Kalifornien var grundlagsstridigt.