Poprzedniczką Caltrans było Bureau of Highways, które zostało utworzone przez Legislaturę Kalifornijską i podpisane przez gubernatora Jamesa Budda w 1895 roku. Agencja ta składała się z trzech komisarzy, których zadaniem było przeanalizowanie systemu dróg stanowych i przedstawienie zaleceń. W tym czasie nie istniał żaden stanowy system autostrad, ponieważ drogi były wyłącznie w gestii władz lokalnych. Drogi w Kalifornii składały się z prymitywnych dróg gruntowych utrzymywanych przez władze hrabstw, a także z utwardzonych ulic w niektórych miastach, a ten doraźny system nie był już odpowiedni dla potrzeb szybko rosnącej populacji stanu. Po tym, jak komisarze przedstawili swój raport gubernatorowi 25 listopada 1896 roku, ustawodawca zastąpił Biuro Departamentem Autostrad (Department of Highways).
Dzięki słabej kondycji fiskalnej stanu i skorumpowanej polityce, poczyniono niewielki postęp aż do 1907 roku, kiedy to ustawodawca zastąpił Departament Autostrad Departamentem Inżynierii, w ramach którego istniał Wydział Autostrad. W 1910 roku kalifornijscy wyborcy zatwierdzili emisję obligacji o wartości 18 milionów dolarów na budowę stanowego systemu autostrad, a w 1911 roku zwołano pierwszą Kalifornijską Komisję Autostradową. W dniu 7 sierpnia 1912 roku departament położył kamień węgielny pod swój pierwszy projekt budowlany, odcinek El Camino Real pomiędzy South San Francisco i Burlingame, który później stał się częścią California State Route 82. Rok 1912 to także założenie Laboratorium Transportowego i utworzenie siedmiu wydziałów administracyjnych, które są poprzednikami 12 biur okręgowych używanych od 2018 roku. Pierwotne siedziby siedmiu wydziałów znajdowały się w:
- Willits Mercantile Building dla hrabstw Del Norte, Humboldt, Lake i Mendocino
- Redding C.R.Briggs Building dla hrabstw Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama oraz Trinity
- Sacramento Forum Building dla hrabstw Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano, Stanislaus, Sutter, Tuolumne, Yolo i Yuba
- San Francisco Rialto Building dla hrabstw Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo i Sonoma
- San Luis Obispo Union National Bank Building dla hrabstw Monterey, San Benito, Santa Barbara i San Luis Obispo
- Fresno Forsythe Building dla hrabstw Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono i Tulare
- Los Angeles Union Oil Building dla hrabstw Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego, i Ventura hrabstw
W 1913 roku, California State Legislature rozpoczął wymaganie rejestracji pojazdów i przydzielone fundusze wynikające wspierać regularne utrzymanie autostrad.
W 1921 roku Legislatura stanowa przekształciła Departament Inżynierii w Departament Robót Publicznych.
Historia Caltrans i jego poprzedników w XX wieku była naznaczona wieloma pierwszymi wydarzeniami. Była to jedna z pierwszych agencji w Stanach Zjednoczonych, która malowała linie środkowe na autostradach w całym kraju; pierwsza, która zbudowała autostradę na zachód od rzeki Mississippi; pierwsza, która zbudowała czteropoziomowy węzeł przesiadkowy; pierwsza, która opracowała i wdrożyła nieodblaskowe podniesione znaczniki chodnikowe, lepiej znane jako kropki Bottsa; i jedna z pierwszych, która wdrożyła dedykowane rampy łączące autostradę z autostradą dla pasów ruchu dla pojazdów o dużej zajętości.
W 1967, gubernator Ronald Reagan utworzył Komitet Zadaniowy ds. Transportu w celu zbadania systemu transportowego państwa i zalecenie głównych reform. Jedną z propozycji grupy zadaniowej było utworzenie Państwowej Rady Transportu jako stałego organu doradczego w zakresie polityki transportowej państwa; rada ta później połączyłaby się w Kalifornijską Komisję Transportu w 1978 roku. We wrześniu 1971 roku Państwowa Rada Transportu zaproponowała utworzenie stanowego departamentu transportu, który miałby odpowiadać za „wykonywanie i integrowanie planowania transportu dla wszystkich rodzajów transportu”. Gubernator Reagan wspomniał o tej propozycji w swoim orędziu o stanie państwa w 1972 roku, a Assemblyman Wadie P. Deddeh przedstawił w tym celu Assembly Bill 69, który został należycie uchwalony przez legislaturę stanową i podpisany przez Reagana jeszcze w tym samym roku. AB 69 połączył trzy istniejące departamenty, tworząc Departament Transportu, z których najważniejszy był Departament Robót Publicznych i jego Wydział Autostrad. Kalifornijski Departament Transportu rozpoczął oficjalną działalność 1 lipca 1973 r.
.