I sentrale deler av delstaten ligger Central Valley, som grenser til Sierra Nevada-fjellene i øst, Kaskadefjellene i nord, Tehachapifjellet i sør og Stillehavet i vest. Sierra Nevada (spansk for «snøfylt fjellkjede») inkluderer det høyeste punktet i det kontinentale USA på moh., og utgjør den fysiske grensen mellom California og Nevada. Kjente områder i Sierra Nevada-fjellene er for eksempel Yosemite nasjonalpark, Sequoia nasjonalpark og Tahoesjøen. Øst for Sierra Nevada ligger for eksempel Owens Valley og Monosjøen. Nordvest finner man innsjøene Tahoesjøen og Clear Lake. Sierra Nevada har for det meste et arktisk klima og har relativt mange isbreer, deriblant Palisade-isbreen, den sørligste isbreen i USA.