Den tidligste forgænger til Caltrans var Bureau of Highways, som blev oprettet af den californiske lovgivende forsamling og underskrevet af guvernør James Budd i 1895. Dette agentur bestod af tre kommissærer, som havde til opgave at analysere statens vejsystem og fremsætte anbefalinger. På det tidspunkt var der ikke noget statsligt motorvejssystem, da vejene udelukkende var et lokalt ansvar. Californiens veje bestod af grove grusveje, der blev vedligeholdt af amtsmyndighederne, samt nogle asfalterede gader i visse byer, og dette ad hoc-system var ikke længere tilstrækkeligt til at opfylde behovene hos statens hurtigt voksende befolkning. Efter at kommissærerne havde forelagt deres rapport for guvernøren den 25. november 1896, erstattede den lovgivende forsamling Bureauet med Department of Highways.
På grund af statens svage finanspolitiske situation og korrupte politik skete der kun få fremskridt indtil 1907, hvor den lovgivende forsamling erstattede Department of Highways med Department of Engineering, inden for hvilket der var en Division of Highways. De californiske vælgere godkendte en obligationsudstedelse på 18 millioner dollars til opførelse af et statsligt motorvejssystem i 1910, og den første California Highway Commission blev indkaldt i 1911. Den 7. august 1912 tog afdelingen det første spadestik til sit første byggeprojekt, nemlig strækningen af El Camino Real mellem South San Francisco og Burlingame, som senere blev en del af California State Route 82. I 1912 blev der også grundlagt et transportlaboratorium og oprettet syv administrative afdelinger, som er forgængerne for de 12 distriktskontorer, der er i brug i 2018. De oprindelige syv afdelingers hovedkvarterer var placeret i:
- Willits Mercantile Building for Del Norte, Humboldt, Lake og Mendocino counties
- Redding C.R.Briggs Building for Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama, og Trinity counties
- Sacramento Forum Building for Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano, Stanislaus, Sutter, Tuolumne, Yolo, og Yuba counties
- San Francisco Rialto Building for Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo, og Sonoma counties
- San Luis Obispo Union National Bank Building for Monterey, San Benito, Santa Barbara og San Luis Obispo counties
- Fresno Forsythe Building for Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono og Tulare counties
- Los Angeles Union Oil Building for Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego og Ventura counties
I 1913 begyndte den californiske stats lovgivende forsamling at kræve registrering af køretøjer og afsatte de deraf følgende midler til støtte for regelmæssig vedligeholdelse af motorveje.
I 1921 omdannede den statslige lovgiver Department of Engineering til Department of Public Works.
Historien for Caltrans og dets forgængerorganer i løbet af det 20. århundrede var præget af mange nyskabelser. Det var et af de første organer i USA, der malede midterlinjer på motorveje i hele staten; det var det første, der byggede en motorvej vest for Mississippi-floden; det var det første, der byggede en fire-etagers stack interchange; det var det første, der udviklede og anvendte ikke-reflekterende forhøjede belægningsmarkører, bedre kendt som Botts’ dots; og det var et af de første, der implementerede dedikerede motorvejstilslutningsramper til motorveje med høj belægning for køretøjer med høj belægning.
I 1967 dannede guvernør Ronald Reagan en Task Force Committee on Transportation for at undersøge statens transportsystem og anbefale større reformer. Et af forslagene fra taskforcen var oprettelsen af et statsligt transportråd som et permanent rådgivende organ for statens transportpolitik; rådet skulle senere fusionere med California Transportation Commission i 1978. I september 1971 foreslog State Transportation Board, at der blev oprettet et statsligt transportministerium med ansvar for “at udføre og integrere transportplanlægning for alle transportformer”. Guvernør Reagan nævnte dette forslag i sin tale om statens tilstand i 1972, og forsamlingsmedlem Wadie P. Deddeh fremsatte Assembly Bill 69 med henblik herpå, som blev behørigt vedtaget af delstatens lovgivende forsamling og underskrevet som lov af Reagan senere samme år. AB 69 fusionerede tre eksisterende afdelinger for at skabe et transportministerium, hvoraf den vigtigste var Department of Public Works og dets division of Highways. California Department of Transportation begyndte officielt at fungere den 1. juli 1973.