Kalifornský záliv leží na severním konci obrovského podmořského pohoří zvaného Východní pacifická vyvýšenina. Základní obrázek upraven z plakátu NOAA z roku 1996 „Age of the Ocean Floor.“

Kalifornský záliv leží na nejsevernějším konci obrovského podmořského pohoří zvaného East Pacific Rise, které se táhne napříč jihovýchodním Pacifikem téměř k Antarktidě. Podél velké části tohoto pohoří vyvěrá zespodu láva, která způsobuje rozštěpení zemské kůry a vytváří to, čemu geologové říkají „centra šíření“.

Aktivní centra šíření jsou ohniska sopečné činnosti. Vzniklé podmořské sopky rozlévají lávu po velkých plochách mořského dna a tvoří jádro Východního Pacifiku. Voda prosakující do těchto lávových proudů se ohřívá, pak stoupá zpět k mořskému dnu a vytváří hydrotermální (horké) průduchy na mořském dně. Dno Kalifornského zálivu je plné těchto průduchů, z některých z nich tryská voda o teplotě přes 300 stupňů Celsia.

V průběhu milionů let, kdy se sopečná kůra šíří ven po obou stranách aktivního centra šíření, se kůra začne ochlazovat a klesat. Někdy se sousední úseky kůry šíří směrem ven z centra šíření různou rychlostí. To způsobuje, že se na mořském dně mezi jednotlivými úseky kůry vytvářejí trhliny v pravém úhlu k hlavní ose centra šíření. Geologové tyto trhliny nazývají „transformační zlomy“.

Jižně od Kalifornského zálivu se Východopacifická vyvýšenina rozpadá na řadu malých center šíření a transformačních zlomů. Tento obrázek ukazuje přibližnou polohu některých z těchto prvků. Šipky ukazují relativní pohyby zemské kůry v několika centrech šíření a transformačních zlomech (ostatní místa jsou podobná). (Podkladová mapa ze služby Google Earth. Tektonické prvky převzaty z Alvarez et al., Bathymetry and active geological structures in the Upper Gulf of California, Bol. Soc. Geol. Mex v.61 n.1, 2009)

Jižně od ústí Kalifornského zálivu se Východopacifická vyvýšenina mění z řady center šíření oddělených transformními zlomy na řadu transformních zlomů oddělených malými centry šíření. Transformační zlomy tvoří pod mořským dnem zálivu klikatý vzor. Na severním konci zálivu pokračuje jediný velký transformační zlom směrem na severozápad, kde se spojuje se systémem zlomů San Andreas.

Východopacifická vyvýšenina je „divergentní“ hranice desek, kde se od sebe vzdalují obrovské desky zemské kůry (desky). V blízkosti Kalifornského zálivu se relativní pohyb desek mění tak, že se obě desky (severoamerická a tichomořská) pohybují do stran a posouvají se kolem sebe. Právě tento „boční“ pohyb způsobil vznik mnoha transformačních zlomů v zálivu a také systému zlomů San Andreas v Kalifornii. Kombinace pohybu do strany a šíření také otevřela mnoho hlubokých, protáhlých pánví na mořském dně zálivu.

Kalifornský záliv je geologicky mladá vodní plocha, která se stále rozšiřuje a prodlužuje. Vznikl pravděpodobně před pěti až deseti miliony let, když se Baja California oddělila od pevninského Mexika a začala se pohybovat severozápadním směrem po pobřeží Severní Ameriky. Za další zhruba milion let by se záliv mohl rozšířit na sever až ke kalifornskému Saltonovu moři. Někteří geologové spekulují, že by se Baja California a části jižní Kalifornie mohly nakonec zcela odtrhnout od pevniny a stát se ostrovem.