Першими європейцями на тихоокеанському узбережжі північніше Мексики були учасники іспанської експедиції португальця Жуана Кабрільйо в 1542 році. Згодом тут побували кораблі англійського приватира Френсіса Дрейка, торгові судна з Філіппін. У 1602 році торговець і військовий Себастьян Віскаіно з Нової Іспанії провів картографію регіону, якому дав назву Каліфорнія, як іменувалися володіння королеви Каліфи, героїні популярного в той час лицарського роману.
Переконання Віскаіно, що Каліфорнія — острів, побутувало до кінця XVIII століття, доки територія не була досліджена експедицією Гаспара де Портола. За його ініціативи як губернатора нових земель віце-королівства Нова Іспанія у 1667-68 роках в околицях затоки Монтерей було закладено кілька фортів, а францисканцями, що мали навернути до християнства племена місцевих жителів, — три місії, навколо яких з часом розрослись містечка, відомі зараз як Сан-Хосе, Лос-Анжелес і Сан-Франциско. Некваплива іспанська колонізація ширилась вздовж узбережжя на північ і вглиб континенту, й до 1821 року, коли Мексика проголосила незалежність від Іспанії, Каліфорнією називалась гіганська територія від Тихого океану аж до рік Сан-Хоакін і Ріо-Гранде на сході.
Наступні чверть століття Каліфорнія і далі залишалась погано розвинутою і малонаселеною окраїною, де на площі понад півтора мільйона квадратних кілометрів проживало кілька тисяч європейців (в основному на узбережжі) і зо півтори сотні тисяч індіанців. Ситуацію дещо покращила секуляризація церковних земель (місії володіли кращими з них) й ініціатива місцевого губернатора надати усім охочим величезні пасовиська для розведення великої рогатої худоби і коней: у Каліфорнію потягнулись переселенці зі східних штатів США і британських провінцій на півночі, які торували шлях на Дикий Захід крізь малопрохідні гори і пустелі.
Кількість американців і британців невпинно зростала — в деяких округах їх ставало більше за мексиканців, і, стурбована неконтрольованою міграцією, місцева влада скасувала для переселенців податкові пільги й підняла митні тарифи на імпорт американських товарів. Навчений гірким доcвідом Техасу, де дійшло до війни з американськими поселенцями і втручанням США, мексиканський уряд заборонив імігрантам купувати й орендувати землю. Це викликало численні скарги й протести. Все гучніше зазвучали голоси про вихід Каліфорнії зі складу Мексиканських Штатів. Напруженності додавала політична нестабільність центрального уряду і протистояння місцевих еліт.
У 1845 році, коли Мексику вже не вперше охопило збройне протистояння федеративної і регіональних влад, дійшло до розділення Каліфорнії: на півночі, у Монтереї, влада опинилась в руках надісланого з Мехіко урядовця Мануеля Мікельторена, на півдні, у Лос-Анжелесі, — в руках заможного землевласника і колишнього губернатора Піо Піко. Конфронтація між ними досить швидко переросла у справжню війну. Ще до її завершення, у травні наступного року, війну Мексиці оголосили США, формально — за спірні прикордонні території вздовж ріки Ріо-Гранде, фактично — через небажання Мехіко продати територію Нью-Мексико, що стало на заваді експансіоністській доктрині американського президента Джеймса Полка.
7 липня 1846 року в порт Монтерей зайшли три військових кораблі США. Без жодного опору дві сотні морських піхотинців зайняли місцеву митницю, на ґанку якої виголосили повідомлення командора Джона Слоата «...віднині Каліфорнія стає частиною Сполучених Штатів» і підняли американський прапор. Північна частина Каліфорнії капітулювала менш ніж за місяць, південна — у січні 1847 року. За укладеним через рік мирним договором Мексика втратила територію площею 1,45 млн км2 (55%), за які США заплатили 15 млн доларів, половину від того, що до війни пропонували за Нью-Мексико.
Буквально за тижень до укладення договору в горах Сьєра-Невада було знайдено поклади золота. У Каліфорнію сушею і морем потягнулись шукачі із США, Латинської Америки, Європи, Австралії та Китаю. Всі вони потребували житла, харчів, доріг, транспорту і розваг. Каліфорнійські міста стали рости на очах — населення Сан-Франциско за два роки з 200 чоловік збільшилось до 25 тисяч, а самого краю — з 8 до 100 тисяч.
Весь цей час Каліфорнія перебувала під управлінням військових губернаторів — попри намагання президента Полка, створити територіальний уряд так і не вдалось. Лише завдяки «золотій лихоманці», коли західна, прибережна, її частина набула самостійного значення, політичні процеси прискорились, і у серпні 1849 року пройшли ініційовані бригадним генералом Беннетом Райлі вибори до Конституційного конвенту. Зібравшись у Монтереї, його делегати одностайно висловились за заборону рабства — «клімат і ґрунт Каліфорнії не придатні для рабської праці» і проти поділу Каліфорнії по т. зв. «лінії Міссурі» на вільну північ і рабовласницький південь. Це могло стати на заваді вступу до США у статусі штату і в якості компромісу було вирішено виділити зі складу Каліфорнії територію вздовж узбережжя як окремий суб'єкт, відмовившись при цьому від її східної, значно більшої, частини, яка передавалась уряду США як територія, устрій якої визначався б Вашингтоном.
Конституція Каліфорнії була затверджена конвентом у Монтереї 13 листопада 1849 року. Рівно через три місяці президентом Захарі Тейлором вона була внесена на обговорення Конгресу, і 48-а голосами проти 3-х Сенат погодився розглянути питання вступу Каліфорнії до складу США. Воно вивчалось в контексті реорганізації усіх територіальних надбань США після війни з Мексикою. Дебати затягнулись, спільного бачення не було навіть всередині парламентських партій. У результаті т. зв. «компромісу 1850 року» було вирішено відмовити Техасу у його претензії на спірні території у верхів'ях ріки Ріо-Гранде, приєднати їх разом із південною частиною земель, від якої відмовилась Каліфорнія, до колишньої мексиканської провінції Нью-Мексико, а «каліфорнійську поступку» на північ від паралелі 36°30' — до новоствореної Території Юта.
7 вересня 1850 року Палата представників США 150-а голосами проти 56-и схвалила законопроект про прийняття Каліфорнії до складу США, і 9 вересня спеціальним актом Конгресу вона стала 31-м штатом «Союзу, рівним у всіх відношеннях іншим державам». Наступного дня два делегати від Каліфорнії склали присягу як сенатори, ще через день два інших — як її представники.
Через кілька років «золота лихоманка» зійшла нанівець, а з нею — приплив мігрантів і економічний бум. Населення, що сягнуло 300 тисяч, займалось здебільшого сільським господарством, скотарством і тихо-океанською торгівлею. У часи Громадянської війни Каліфорнія як вільний штат фінансово підтримувала уряд Півночі, але так і не зібрала жодного військового підрозділу для участі в бойових діях.
У 1869 році Перша трансконтинентальна залізниця нарешті пов'язала Окленд в затоці Сан-Франциско зі штаті Айова на сході. Разом із віднайденими навколо Лос-Анджелеса і в долині Сан-Хоакін родовищами нафти це дало новий поштовх економічному розвитку Каліфорнії — до початку XX століття її населення потроїлось, сягнувши півтора мільйони чоловік, і перетворило її на один з найрозвинутіших штатів США.