Le plus ancien prédécesseur de Caltrans était le Bureau of Highways, qui a été créé par la législature californienne et promulgué par le gouverneur James Budd en 1895. Cet organisme était composé de trois commissaires chargés d’analyser le réseau routier de l’État et de formuler des recommandations. À l’époque, il n’y avait pas de réseau routier d’État, les routes étant une responsabilité purement locale. Les routes californiennes consistaient en de grossiers chemins de terre entretenus par les gouvernements des comtés, ainsi qu’en quelques rues pavées dans certaines villes, et ce système ad hoc n’était plus adapté aux besoins de la population en croissance rapide de l’État. Après que les commissaires aient soumis leur rapport au gouverneur le 25 novembre 1896, la législature a remplacé le Bureau par le Department of Highways.
En raison de la faible condition fiscale de l’État et de la corruption des politiques, peu de progrès ont été réalisés jusqu’en 1907, lorsque la législature a remplacé le Department of Highways par le Department of Engineering, au sein duquel se trouvait une Division of Highways. Les électeurs californiens ont approuvé une émission d’obligations de 18 millions de dollars pour la construction d’un réseau routier d’État en 1910, et la première commission routière de Californie a été convoquée en 1911. Le 7 août 1912, le département a donné le coup d’envoi de son premier projet de construction, la section d’El Camino Real entre South San Francisco et Burlingame, qui est devenue plus tard une partie de la California State Route 82. L’année 1912 a également vu la fondation du laboratoire des transports et la création de sept divisions administratives, qui sont les prédécesseurs des 12 bureaux de district utilisés en 2018. Les sièges originaux des sept divisions étaient situés dans :
- Willits Mercantile Building pour les comtés de Del Norte, Humboldt, Lake et Mendocino
- Redding C.R.Briggs Building pour les comtés de Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama, et Trinity
- Sacramento Forum Building pour les comtés de Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano, Stanislaus, Sutter, Tuolumne, Yolo, et les comtés de Yuba
- San Francisco Rialto Building pour les comtés de Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo, et Sonoma
- San Luis Obispo Union National Bank Building pour Monterey, San Benito, Santa Barbara et San Luis Obispo
- Fresno Forsythe Building pour les comtés de Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono et Tulare
- Los Angeles Union Oil Building pour les comtés de Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego, et les comtés de Ventura
En 1913, la législature de l’État de Californie a commencé à exiger l’immatriculation des véhicules et a alloué les fonds qui en résultent pour soutenir l’entretien régulier des routes.
En 1921, la législature de l’État a transformé le département de l’ingénierie en département des travaux publics.
L’histoire de Caltrans et des agences qui l’ont précédé au cours du 20e siècle a été marquée par de nombreuses premières. Elle a été l’une des premières agences des États-Unis à peindre les lignes centrales des autoroutes à l’échelle de l’État ; la première à construire une autoroute à l’ouest du fleuve Mississippi ; la première à construire un échangeur à pile à quatre niveaux ; la première à développer et à déployer des marqueurs de chaussée en relief non réfléchissants, mieux connus sous le nom de points de Botts ; et l’une des premières à mettre en œuvre des rampes de raccordement dédiées entre autoroutes et voies rapides pour les voies réservées aux véhicules à haut taux d’occupation.
En 1967, le gouverneur Ronald Reagan a formé un comité de groupe de travail sur le transport pour étudier le système de transport de l’État et recommander des réformes majeures. L’une des propositions du groupe de travail était la création d’un State Transportation Board en tant que conseil consultatif permanent sur la politique de transport de l’État ; le conseil fusionnera plus tard avec la California Transportation Commission en 1978. En septembre 1971, le State Transportation Board a proposé la création d’un département des transports de l’État chargé « d’effectuer et d’intégrer la planification des transports pour tous les modes ». Le gouverneur Reagan a mentionné cette proposition dans son discours de 1972 sur l’état de l’État, et le député Wadie P. Deddeh a présenté le projet de loi 69 à cet effet, qui a été dûment adopté par l’assemblée législative de l’État et promulgué par Reagan plus tard la même année. L’AB 69 fusionne trois départements existants pour créer le Department of Transportation, dont le plus important est le Department of Public Works et sa Division of Highways. Le département des transports de Californie a commencé ses activités officielles le 1er juillet 1973.