Il primo predecessore di Caltrans fu il Bureau of Highways, che fu creato dalla legislatura della California e firmato in legge dal governatore James Budd nel 1895. Questa agenzia consisteva di tre commissari che erano incaricati di analizzare il sistema stradale statale e fare raccomandazioni. All’epoca non esisteva un sistema di strade statali, dato che le strade erano puramente una responsabilità locale. Le strade della California consistevano in rozze strade sterrate mantenute dai governi delle contee, così come alcune strade asfaltate in alcune città, e questo sistema ad hoc non era più adeguato alle esigenze della popolazione in rapida crescita dello stato. Dopo che i commissari presentarono il loro rapporto al governatore il 25 novembre 1896, la legislatura sostituì il Bureau con il Dipartimento delle Autostrade.
A causa della debole condizione fiscale dello stato e della politica corrotta, furono fatti pochi progressi fino al 1907, quando la legislatura sostituì il Dipartimento delle Autostrade con il Dipartimento di Ingegneria, al cui interno c’era una Divisione delle Autostrade. Gli elettori della California approvarono un’emissione obbligazionaria di 18 milioni di dollari per la costruzione di un sistema autostradale statale nel 1910, e la prima California Highway Commission fu convocata nel 1911. Il 7 agosto 1912, il dipartimento iniziò la costruzione del suo primo progetto, il tratto di El Camino Real tra South San Francisco e Burlingame, che poi divenne parte della California State Route 82. L’anno 1912 vide anche la fondazione del Transportation Laboratory e la creazione di sette divisioni amministrative, che sono i predecessori dei 12 uffici distrettuali in uso al 2018. Le sedi originali delle sette divisioni erano situate in:
- Willits Mercantile Building per le contee di Del Norte, Humboldt, Lake e Mendocino
- Redding C.R.Briggs Building per le contee di Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama e Trinity
- Sacramento Forum Building per le contee di Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano, Stanislaus, Sutter, Tuolumne, Yolo e Yuba
- San Francisco Rialto Building per le contee di Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo e Sonoma
- San Luis Obispo Union National Bank Building per Monterey, San Benito, Santa Barbara e San Luis Obispo
- Fresno Forsythe Building per le contee di Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono e Tulare
- Los Angeles Union Oil Building per Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego e Ventura
Nel 1913, la legislatura dello Stato della California iniziò a richiedere la registrazione dei veicoli e a stanziare i fondi risultanti per sostenere la regolare manutenzione delle strade.
Nel 1921, il legislatore statale trasformò il Dipartimento di Ingegneria nel Dipartimento dei Lavori Pubblici.
La storia di Caltrans e delle agenzie che l’hanno preceduta durante il 20° secolo è stata segnata da molte prime volte. È stata una delle prime agenzie negli Stati Uniti a dipingere le linee centrali delle autostrade in tutto lo stato; la prima a costruire un’autostrada a ovest del fiume Mississippi; la prima a costruire uno svincolo a quattro livelli; la prima a sviluppare e distribuire marcatori di pavimentazione non riflettenti in rilievo, meglio conosciuti come punti di Botts; e una delle prime a implementare rampe di raccordo dedicate da autostrada a autostrada per corsie di veicoli ad alta occupazione.
Nel 1967, il governatore Ronald Reagan formò una Task Force Committee on Transportation per studiare il sistema di trasporto statale e raccomandare importanti riforme. Una delle proposte della task force fu la creazione di uno State Transportation Board come comitato consultivo permanente sulla politica dei trasporti dello stato; il comitato sarebbe poi confluito nella California Transportation Commission nel 1978. Nel settembre 1971, lo State Transportation Board propose la creazione di un dipartimento statale dei trasporti con la responsabilità di “eseguire e integrare la pianificazione dei trasporti per tutti i modi”. Il governatore Reagan menzionò questa proposta nel suo discorso sullo Stato del 1972, e l’assessore Wadie P. Deddeh introdusse l’Assembly Bill 69 in tal senso, che fu debitamente approvato dalla legislatura statale e firmato in legge da Reagan più tardi lo stesso anno. L’AB 69 fondeva tre dipartimenti esistenti per creare il Dipartimento dei Trasporti, di cui il più importante era il Dipartimento dei Lavori Pubblici e la sua Divisione delle Autostrade. Il Dipartimento dei Trasporti della California iniziò le operazioni ufficiali il 1° luglio 1973.