A Caltrans legkorábbi elődje a Bureau of Highways volt, amelyet a kaliforniai törvényhozás hozott létre, és amelyet James Budd kormányzó 1895-ben írt alá törvényként. Ez az ügynökség három biztosból állt, akiknek az volt a feladata, hogy elemezzék az állami úthálózatot és ajánlásokat tegyenek. Abban az időben nem létezett állami autópálya-rendszer, mivel az utak tisztán helyi hatáskörbe tartoztak. Kalifornia útjai a megyei önkormányzatok által fenntartott durva földutakból, valamint egyes városokban néhány burkolt utcából álltak, és ez az ad hoc rendszer már nem felelt meg az állam gyorsan növekvő lakosságának igényeinek. Miután a biztosok 1896. november 25-én benyújtották jelentésüket a kormányzónak, a törvényhozás az Irodát felváltotta az Autópályaügyi Minisztériummal.
Az állam gyenge költségvetési helyzete és a korrupt politika miatt kevés előrelépés történt egészen 1907-ig, amikor a törvényhozás az Autópályaügyi Minisztériumot felváltotta a Mérnöki Minisztériummal, amelyen belül volt egy Autópályaügyi Osztály. A kaliforniai választók 1910-ben 18 millió dolláros kötvénykibocsátást hagytak jóvá az állami autópálya-rendszer kiépítésére, és 1911-ben összehívták az első Kaliforniai Autópálya Bizottságot. 1912. augusztus 7-én a hivatal megkezdte első építkezését, az El Camino Real Dél-San Francisco és Burlingame közötti szakaszát, amely később a 82-es kaliforniai állami út részévé vált. Az 1912-es évben megalapították a Közlekedési Laboratóriumot és hét igazgatási osztályt is létrehoztak, amelyek a 2018-ban működő 12 kerületi hivatal elődei. Az eredeti hét divízió székhelye a következő helyeken volt:
- Willits Mercantile Building Del Norte, Humboldt, Lake és Mendocino megyék számára
- Redding C.R.Briggs Building Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama és Trinity megyék számára
- Sacramento Forum Building Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano és Stanislaus megyék számára, Sutter, Tuolumne, Yolo és Yuba megye
- San Francisco Rialto Building Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo és Sonoma megye
- San Luis Obispo Union National Bank Building Monterey megye számára, San Benito, Santa Barbara és San Luis Obispo megyék
- Fresno Forsythe Building Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono és Tulare megyék
- Los Angeles Union Oil Building Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego és Ventura megyék
1913-ban Kalifornia állam törvényhozása elkezdte megkövetelni a gépjárművek regisztrációját, és az ebből származó forrásokat a rendszeres autópályakarbantartás támogatására különítette el.
1921-ben az állami törvényhozás a Mérnöki Minisztériumot Közmunkaügyi Minisztériummá alakította át.
A Caltrans és elődszervezeteinek 20. századi történetét számos elsőség jellemezte. Az egyik első ügynökség volt az Egyesült Államokban, amely az autópályák középvonalát az egész államban felfestette; az első, amely autópályát épített a Mississippi folyótól nyugatra; az első, amely négyszintes csomópontot épített; az első, amely kifejlesztette és alkalmazta a nem fényvisszaverő emelt burkolatjelzőket, ismertebb nevükön a Botts-pontokat; és az egyik első, amely a nagy forgalmú járműsávok számára külön autópálya és autópálya közötti összekötő rámpákat épített.
1967-ben Ronald Reagan kormányzó megalakította a Közlekedési Munkacsoport Bizottságát, hogy tanulmányozza az állami közlekedési rendszert, és jelentős reformokat javasoljon. A munkacsoport egyik javaslata az Állami Közlekedési Tanács létrehozása volt, mint az állami közlekedéspolitika állandó tanácsadó testülete; a testület később, 1978-ban beolvadt a Kaliforniai Közlekedési Bizottságba. 1971 szeptemberében az Állami Közlekedési Tanács javasolta egy állami közlekedési minisztérium létrehozását, amelynek feladata “az összes közlekedési mód közlekedési tervezésének elvégzése és integrálása”. Reagan kormányzó 1972-es államállapotról szóló beszédében megemlítette ezt a javaslatot, és Wadie P. Deddeh képviselő benyújtotta az erre vonatkozó 69. számú törvényjavaslatot, amelyet az állami törvényhozás szabályszerűen elfogadott, és Reagan még ugyanabban az évben törvénybe iktatott. Az AB 69 három meglévő osztály összevonásával hozta létre a Közlekedési Minisztériumot, amelyek közül a legfontosabb a Közmunkaügyi Minisztérium és annak Autópálya-osztálya volt. A Kaliforniai Közlekedési Minisztérium 1973. július 1-jén kezdte meg hivatalos működését.