Primul predecesor al Caltrans a fost Biroul de Autostrăzi, care a fost creat de Legislativul californian și promulgat de guvernatorul James Budd în 1895. Această agenție era formată din trei comisari care erau însărcinați să analizeze sistemul rutier de stat și să facă recomandări. La acea vreme, nu exista un sistem de autostrăzi de stat, deoarece drumurile erau pur și simplu o responsabilitate locală. Drumurile californiene erau formate din drumuri de pământ rudimentare întreținute de guvernele județene, precum și din câteva străzi asfaltate în anumite orașe, iar acest sistem ad-hoc nu mai era adecvat pentru nevoile populației în creștere rapidă a statului. După ce comisarii și-au prezentat raportul guvernatorului la 25 noiembrie 1896, legislativul a înlocuit Biroul cu Departamentul de Autostrăzi.
Din cauza stării fiscale slabe a statului și a politicii corupte, s-au făcut puține progrese până în 1907, când legislativul a înlocuit Departamentul de Autostrăzi cu Departamentul de Inginerie, în cadrul căruia exista o Divizie de Autostrăzi. În 1910, alegătorii californieni au aprobat o emisiune de obligațiuni în valoare de 18 milioane de dolari pentru construirea unui sistem de autostrăzi de stat, iar prima Comisie de Autostrăzi din California a fost convocată în 1911. La 7 august 1912, departamentul a pus piatra de temelie la primul său proiect de construcție, tronsonul El Camino Real dintre South San Francisco și Burlingame, care mai târziu a devenit parte a drumului de stat 82 din California. În anul 1912 a avut loc, de asemenea, înființarea Laboratorului de Transport și crearea a șapte divizii administrative, care sunt predecesorii celor 12 birouri districtuale utilizate în 2018. Sediile inițiale ale celor șapte divizii au fost situate în:
- Willits Mercantile Building pentru comitatele Del Norte, Humboldt, Lake și Mendocino
- Redding C.R.Briggs Building pentru comitatele Lassen, Modoc, Shasta, Siskiyou, Tehama și Trinity
- Sacramento Forum Building pentru comitatele Alpine, Amador, Butte, Calaveras, Colusa, El Dorado, Glenn, Nevada, Placer, Plumas, Sacramento, San Joaquin, Sierra, Solano, Stanislaus, Sutter, Tuolumne, Yolo și Yuba
- San Francisco Rialto Building pentru comitatele Alameda, Contra Costa, Marin, Napa, San Francisco, Santa Clara, Santa Cruz, San Mateo și Sonoma
- San Luis Obispo Union National Bank Building pentru Monterey, San Benito, Santa Barbara și San Luis Obispo
- Fresno Forsythe Building pentru comitatele Fresno, Inyo, Kern, Kings, Madera, Mariposa, Merced, Mono și Tulare
- Los Angeles Union Oil Building pentru comitatele Imperial, Los Angeles, Orange, Riverside, San Bernardino, San Diego și comitatele Ventura
În 1913, legislativul statului California a început să ceară înmatricularea vehiculelor și a alocat fondurile rezultate pentru a susține întreținerea regulată a autostrăzilor.
În 1921, legislativul de stat a transformat Departamentul de Inginerie în Departamentul de Lucrări Publice.
Istoria Caltrans și a agențiilor sale predecesoare din secolul XX a fost marcată de multe premiere. A fost una dintre primele agenții din Statele Unite ale Americii care a vopsit liniile centrale pe autostrăzile din tot statul; prima care a construit o autostradă la vest de râul Mississippi; prima care a construit un schimbător cu patru niveluri; prima care a dezvoltat și a implementat marcaje nereflectorizante în relief pentru trotuare, mai bine cunoscute sub numele de punctele Botts; și una dintre primele care a implementat rampe de legătură între autostrăzi dedicate pentru benzile pentru vehicule cu grad ridicat de ocupare.
În 1967, guvernatorul Ronald Reagan a format un Comitet de lucru pentru transporturi pentru a studia sistemul de transport al statului și a recomanda reforme majore. Una dintre propunerile grupului de lucru a fost crearea unui consiliu de stat pentru transporturi ca un consiliu consultativ permanent privind politica de stat în domeniul transporturilor; consiliul avea să fuzioneze mai târziu, în 1978, în California Transportation Commission. În septembrie 1971, Consiliul de stat pentru transporturi a propus crearea unui departament de stat pentru transporturi însărcinat cu responsabilitatea „de a realiza și integra planificarea transporturilor pentru toate modurile de transport”. Guvernatorul Reagan a menționat această propunere în discursul său din 1972 privind starea statului, iar membrul Adunării Wadie P. Deddeh a introdus proiectul de lege al Adunării 69 în acest sens, care a fost adoptat în mod corespunzător de legislativul de stat și promulgat de Reagan mai târziu în același an. AB 69 a fuzionat trei departamente existente pentru a crea Departamentul de Transporturi, dintre care cel mai important era Departamentul de Lucrări Publice și Divizia de Autostrăzi a acestuia. Departamentul de Transporturi din California și-a început activitatea oficială la 1 iulie 1973.
.