カリフォルニア州の地理は、海岸山脈とシエラネバダ山脈に挟まれてその中央に広大で肥沃な地であるセントラル・バレーがあることが特徴である。その北部にはサクラメント川が流れ、その流域はサクラメント・バレーと呼ばれており、南部にはサンワーキン川が流れてその流域はサンホアキン・バレーと呼ばれている。セントラル・バレー全体は山脈から流れ出すサクラメント川、サンワーキン川およびキングス川など多くの川が流れ、サンフランシスコ湾に注いでいる。これらの川は大きくて深いので、ストックトンやサクラメントなど内陸の都市が海港になっている。セントラル・バレーの南端は内陸流域となっており、事実上バレーの一部ではない。トゥーレアリ湖は昔広さが570平方マイル (1,476 km²) あったが、現在では干上がり、農業用地になっている。
セントラル・バレーの西には海岸山脈があり、その中にはサンフランシスコの直ぐ東にあるディアブロ山地と、南にあるサンタクルーズ山脈が含まれている。サンフランシスコの北側の海岸山脈は霧と雨が次第に多くなってきている。これらの山脈にはコーストレッドウッドの木があることが特徴であり、海岸の霧の中で成長し、地球上で最も樹高の高い木になっている。
シエラネバダ山脈の東にベースン・アンド・レンジ地質区があり、ネバダ州まで広がっている。この地質区は一連なりの山脈と谷（学術的には地塁と地溝）であり、地殻の水平方向への伸びによって形成される。ここの特徴的な地形がモノ湖であり、北アメリカで最古の湖とされている。ベースン・アンド・レンジには北アメリカで最も深い谷であるオーウェンズバレーもあり、ホイットニー山の山頂からは10,000フィート (3、000 m) 以上の深さがある。東カリフォルニアのシエラネバダ山脈の下には一連なりの干上がった湖床があり、最終氷期には水が張られていた（氷河の氷が溶けた水だが、氷河作用の影響を直接は受けていなかった）。これら湖の多くには様々な種類の塩を含む蒸発岩が多量にある。これら湖床の塩沈殿物は長年にわたって採掘されてきた。その中でも著名な塩がホウ砂（硼砂、ほうしゃ）であり、オーエンズ湖やデスバレーで採取されてきた。この地区にはホワイト山脈があり、世界でも最も樹齢が長いブリストルコーンパインが自生している。
モドック高原はカリフォルニア州の北東部隅にあり、標高4,000から6,000フィート (1,200 - 1,800 m) の溶岩流に、噴石丘、ビャクシンの平原、松林および季節によってできる湖がある。面積100万エーカー (4,000 km²) に近いモドック国立の森が西のメディシン湖高地と東のワーナー山脈の間にある。この高原にはミュールジカ (Odocoileus Hemionus)、ロッキー山脈エルク (Cervus Canadensis) およびプロングホーン・アンテロープ (Antilocapra Americana) の大きな群れが生息している。また野生の馬の群れも見られる。クリア湖国立野生生物保護区とロングベル州立動物保護区もこの高原内にある。ロスト川が高原の北側を流れ、一方南部の水流は盆地の貯水池に集まるか、モドック郡の中央にあるビッグセージ貯水池に流れ込んでいる。
カスケード山脈はカナダのブリティッシュコロンビア州からカリフォルニア州の北部に伸びる山脈である。太平洋を取り巻く火山の連なりである環太平洋火山帯に属している。大陸アメリカ合衆国の歴史で分かっている火山の噴火はすべてこのカスケード山脈にある火山のものである。カリフォルニア州で現在までの最後の噴火は1914年から1921年まで噴火活動を続けたラッセン山のものだった。ラッセン山はカスケード山脈の中では最も南に位置する活火山である。この山脈はオレゴン州とネバダ州に境を接してカリフォルニア州の北東部にあり、セントラル・バレーやシエラネバダ山脈の最北部にも接している。その中心はトリニティアルプスに近いシャスタ山である。シャスタ山は休火山だが、シャスタ山あるいはそれに属する小さい峰であるシャスティナが18世紀に噴火したという記録がある。
クラマス山脈はカリフォルニア州北西部からオレゴン州南西部の山脈であり、最高峰はトリニティ郡にあるトンプソン峰（標高2,744 m）である。地質的に多様であり、蛇紋石と大理石が多く、夏は極端に雨が少ない。その地質のためにローソンヒノキ (Chamaecyparis lawsoniana)、フォックステイルパイン (Pinus balfouriana)、ブルワーズスプルース (Picea breweriana) およびカルミオプシス (Kalmiopsis leachiana) など固有種やそれに近い種があり、特徴ある植物相になっている。
鵜戸川は愛西市藤ケ瀬町付近から南に流下する普通河川だが、かつては立田輪中の排水路として使用されていた。元は神明津輪中と立田輪中の間を流れていた間ノ川の東端付近から立田輪中（現・愛西市）北部へ流れ込んでいた鵜殿川という川であったとの説がある。輪中を南へ流下して、万治2年（1659年）頃までは佐屋川に排水していたが、尾張藩が立田輪中の下流側を締切った際に立和村（現・愛西市）の船頭平などで木曽川に打樋で排水するように改めた 。しかし輪中の北部では湛水が酷く、明治初期には輪中内で住民の対立や打ち壊しもあったという。これに対して愛知県は土木技師の黒川治愿らを派遣、黒川の尽力により、1879年（明治12年）に現在の新右エ門新田町付近までだった鵜戸川を立石町付近まで開削・延長している。明治改修によって打樋があった周辺が木曽川の新しい河道となったことで立田輪中では悪水の排出が困難となり、前述のように鵜戸川を南に延長して鍋田川と接続するなどしたが問題は解消せず、1906年に新たな樋門（六門樋門）を設けて筏川と流路を接続した。六門樋門の上流部には筏大橋逆水樋門が設けられるなど、周辺には10ヶ所あまりの樋門が築造されて用排水の制御が行われた。また、この際に木曽川に杁樋を設けて鵜戸川への導水（佐屋川用水・藤ケ瀬支線）を行っているが、昭和30年代に行われた耕地整理に伴い支線は廃止され、現在は特定の水源を持たない河川となっている。こうしたこともあって、愛西市北部の農業排水を集める上流部では水質の悪化が進んでおり、ドブ川状態の場所も少なくない。