Kuigi California on kõige paremini tuntud oma megafaunaimetajate, nagu näiteks Sabre-hammastega tiiger ja Dire Wolf turismiobjektidena on osariigil sügav fossiilne ajalugu, mis ulatub tagasi kuni Kambriumi perioodini. Dinosaurustest kahjuks pigem puudu on. Nad elasid kindlasti Californias, nagu nad mujalgi Põhja-Ameerikas mesosoikumide ajastul elasid, kuid tänu geoloogia kohmakusele pole neid fossiilide registris kuigi hästi säilinud. Siin on kõige olulisemad Eureka osariigis avastatud dinosaurused ja eelajaloolised loomad.
Sabre-hamba tiiger (millele sageli viidatakse selle perekonnanimega Smilodon) on kaugelt kõige kuulsam (ja kõige levinum) eelajalooline imetaja Californias tänu sõna otseses mõttes tuhandete terviklike skelettide taastumisele Los Angelese kesklinna kuulsast La Brea Tõrva kaevandist Angeles. See Pleistotseen kiskja oli nutikas, kuid ilmselgelt mitte piisavalt nutikas, kuna terved sabahammaste pakid jäid muulasse lõksu, kui nad üritasid juba varitsetud saagiks maitsta.
Fossiilide registris peaaegu sama palju kui Saberhammastega tiigrit Dire Wolf on eriti sobiv loom, kes on elanud Californias, arvestades tema peaosa HB-sarjas Troonide mäng. Nagu Smilodoni puhul, on arvukalt Dire Wolfi luustikke (perekonna ja liigi nimi Canis dirus) on La Brea tõrva šahtidest välja kaevatud, näidates, et need kaks lihaselist, umbes võrdselt suurusega megafaunaimetajat võistlesid sama saagi eest.
Ainus dinosaurus, mis kunagi Lõuna-Californias avastatud, ja vähestest kogu osariigis avastatud dinosaurustest, Aletopelta oli 20 jalga pikk, kaks tonni ankylosaur, seega palju hilisema ja tuntuma lähisugulane Ankülosaurus. Nagu paljud eelajaloolised loomad, avastati Aletopelta täiesti juhuslikult; maanteemeeskond tegi Carlsbadi lähedal ehitustöid ja Aletopelta fossiil saadi kanalisatsioonitoru jaoks välja kaevatud kraavist.
Californosaurus on üks ürgsemaid ihtüosaurused ("kala sisalikud"), mis on fossiilide registris veel identifitseeritud ning mille on reetnud selle mereroomaja suhteliselt ebahüdrodünaamiline kuju (sibulakehale asetsev lühike pea) ja suhteliselt lühikesed kärbsed. Segadusttekitavalt hilja Triiass kalasööjaid nimetatakse sageli Shastasaurus või Delphinosaurus, kuid paleontoloogid eelistavad Californosaurust, ilmselt seetõttu, et see on lõbusam.
Üks väheseid eelajaloolisi loomi, keda Fresno lähedal kunagi avastati, oli Plotosaurus 40 jala pikkune, viis tonni mosasaur, mereroomajate perekond, mis domineeris maailma ookeanides aasta lõpupoole Kriidine periood. Plotosauruse ebatavaliselt suured silmad viitavad sellele, et ta on eriti tõhus teiste mereroomajate röövloom, kuid kahjuks mitte piisavalt efektiivne, et ta ei saaks koos kõigi oma mosasauri sugulastega kustutatuks K / T meteooride mõju.
eelajalooline vaal Tsetooriumit, mille üks liik kallas miljonid aastad tagasi California kaldaid, võib pidada moodsa halli vaala väiksemaks, ujemaks versiooniks. Nagu ka tänapäevane järeltulija, filtreeris ka tetoterium mereveest planktoni baleenplaatide abil. Tõenäoliselt tegi hiiglane seda ette eelajaloolised haid selle Miocene epohh, nimestik, mis sisaldab 50 jala pikkust, 50 tonni Megalodon, suurim eelajalooline hai, kes eales elanud.
Ehkki kõige kuulsamad on Saber-hammastega tiiger ja Dire Wolf megafauna imetajad La Brea tõrva karjääridest taastamiseks olid nad kaugel Californias Pleistocene asuvatest ainsatest koomiliselt hiiglaslikest karvastest loomadest. Ka selle riigi tujukalt olid Ameerika Mastodon, Hiiglaslik maapinna laiskus, ja Hiiglaslik lühinägelik karu, mis kõik kustusid vahetult pärast viimast jääaega, nii kliimamuutuste ohvrid kui ka põliselanike hõimude jaht.