Nejstarším předchůdcem Caltrans byl Bureau of Highways, který byl vytvořen kalifornským zákonodárným sborem a podepsán guvernérem Jamesem Buddem v roce 1895. Tento úřad se skládal ze tří komisařů, kteří měli za úkol analyzovat systém státních silnic a vydávat doporučení. V té době neexistoval žádný státní dálniční systém, protože silnice byly čistě v místní kompetenci. Kalifornské silnice se skládaly z hrubých polních cest udržovaných okresními úřady a také z některých zpevněných ulic v některých městech a tento ad hoc systém již nevyhovoval potřebám rychle rostoucího počtu obyvatel státu. Poté, co komisaři 25. listopadu 1896 předložili guvernérovi svou zprávu, nahradil zákonodárce Úřad ministerstvem silnic.
Vzhledem ke špatné fiskální situaci státu a zkorumpované politice bylo dosaženo jen malého pokroku až do roku 1907, kdy zákonodárce nahradil ministerstvo silnic ministerstvem inženýrství, v jehož rámci existovalo oddělení silnic. V roce 1910 schválili kalifornští voliči emisi dluhopisů v hodnotě 18 milionů dolarů na výstavbu státního dálničního systému a v roce 1911 byla svolána první Kalifornská dálniční komise. Dne 7. srpna 1912 oddělení zahájilo první stavební projekt, úsek El Camino Real mezi jižním San Franciscem a Burlingame, který se později stal součástí kalifornské státní silnice č. 82. V roce 1912 byla zahájena výstavba silnice č. 82, která se později stala součástí kalifornské státní silnice č. 82. V roce 1912 byla také založena Dopravní laboratoř a vzniklo sedm administrativních oddělení, která jsou předchůdci 12 okresních úřadů používaných v roce 2018. Původních sedm ředitelství divizí sídlilo v:
- Willits Mercantile Building pro okresy Del Norte, Humboldt, Lake a Mendocino
- Redding C.R.Briggs Building pro okresy Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama a Trinity
- Sacramento Forum Building pro okresy Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano, Stanislaus, Sutter, Tuolumne, Yolo a Yuba
- San Francisco Rialto Building pro okresy Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo a Sonoma
- San Luis Obispo Union National Bank Building pro Monterey, San Benito, Santa Barbara a San Luis Obispo
- Fresno Forsythe Building pro okresy Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono a Tulare
- Los Angeles Union Oil Building pro Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego a Ventura
V roce 1913 začal kalifornský státní zákonodárný sbor vyžadovat registraci vozidel a získané prostředky vyčlenil na podporu pravidelné údržby dálnic.
V roce 1921 přeměnil státní zákonodárce ministerstvo inženýrství na ministerstvo veřejných prací.
Historie Caltrans a jeho předchůdců v průběhu 20. století byla poznamenána mnoha prvenstvími. Byla to jedna z prvních agentur ve Spojených státech, která namalovala osy dálnic na celostátní úrovni; první, která postavila dálnici na západ od řeky Mississippi; první, která vybudovala čtyřúrovňovou křižovatku; první, která vyvinula a nasadila nereflexní vyvýšené značky na vozovce, známější jako Bottsovy tečky; a jedna z prvních, která zavedla vyhrazené nájezdy na dálnice pro připojovací pruhy pro vozidla s vysokou obsazeností.
V roce 1967 guvernér Ronald Reagan vytvořil Výbor pro dopravu (Task Force Committee on Transportation), který měl prozkoumat státní dopravní systém a doporučit zásadní reformy. Jedním z návrhů pracovní skupiny bylo vytvoření Státní dopravní rady jako stálého poradního orgánu pro státní dopravní politiku; tato rada se později v roce 1978 sloučila v Kalifornskou dopravní komisi. V září 1971 navrhla Státní dopravní rada vytvoření státního odboru dopravy, který by byl pověřen „prováděním a integrací dopravního plánování pro všechny druhy dopravy“. Guvernér Reagan se o tomto návrhu zmínil ve svém projevu o stavu státu v roce 1972 a poslanec Wadie P. Deddeh v tomto smyslu předložil zákon 69, který byl řádně schválen státním zákonodárným sborem a Reagan jej ještě téhož roku podepsal. AB 69 sloučil tři stávající oddělení a vytvořil tak ministerstvo dopravy, z nichž nejdůležitější bylo oddělení veřejných prací a jeho divize dálnic. Kalifornské ministerstvo dopravy zahájilo oficiální činnost 1. července 1973.