Iako je Kalifornija najpoznatija po svojim sisavcima iz megafaune, poput Sabljast tigrasti i direktni vuk kao turističke atrakcije, država ima duboku fosilnu povijest koja se proteže sve do razdoblja kambrije. Dinosaura, nažalost, prilično nema. Oni su sigurno živjeli u Kaliforniji, kao i svuda drugdje u Sjevernoj Americi tijekom mezozojske ere, ali zahvaljujući geološkim šarama, nisu se dobro očuvali u zapisima fosila. Ovdje su najznačajniji dinosaurusi i pretpovijesne životinje otkriveni u državi Eureka.
Sablja-zub tigra (često nazvan imenom svog roda, Smilodon) je daleko najpoznatiji (i najčešći) prapovijesni sisavac Kalifornija, zahvaljujući oporavku doslovno tisuće kompletnih kostura iz poznate jame La Brea Tar u centru Losa Angeles. Ovaj ledeno doba predator je bio pametan, ali očito ne baš dovoljno pametan, jer su se cijeli paketi sabljastih zuba zarobili u patnji prilikom pokušaja gozbe već umrljanim plijenom.
Gotovo jednako bogat u fosilnim zapisima kao Sabljast zub Dire Wolf je posebno prikladna životinja koja je živjela u Kaliforniji, s obzirom na glavnu ulogu u HBO-ovoj seriji
Igra prijestolja. Kao i kod Smilodona, brojni kosturi Dire Wolf (ime roda i vrste) Canis dirus) izbačeni su iz jama La Brea Tar, demonstrirajući da su se ova dva mišićava, s otprilike jednakim veličinama sisavaca megafaune, natjecala za isti plijen.Jedini dinosaurus koji je ikada otkriven u južnoj Kaliforniji, i nekoliko rijetkih dinosaura koji su otkriveni u cijeloj državi, Aletopelta bio je visok dva metra, dvotonski ankylosaur, a time i bliski rođak mnogo kasnijeg i bolje poznatog Ankylosaurus. Kao i mnoge pretpovijesne životinje, Aletopelta je otkrivena potpuno slučajno; cestovna posada radila je građevinske radove u blizini Carlsbada, a fosil Aletopelta izvađen je iz jarka koji je bio iskopan za kanalizacijsku cijev.
Californosaurus je jedan od najprimitivnijih ichthyosaurs ("riblji gušteri") još su identificirani u zapisu o fosilima, kao što ih je izdao ovaj morski gmizavac, relativno nehidrodinamičkog oblika (kratka glava visjela na gomoljastom tijelu) i usporedno kratkih leptira. Zbunjujuće, ovo kasno trijas jesti ribu često nazivaju Shastasaurus ili Delphinosaurus, ali paleontolozi više vole kalifornosaur, vjerojatno zato što je zabavniji.
Jedna od rijetkih pretpovijesnih životinja koja je ikada otkrivena u blizini Fresna, Plotosaurus je bio dugačak 40 stopa, pet tona mozasauri, obitelj morskih gmizavaca koji su dominirali svjetskim oceanima do kraja Krićanski razdoblje. Neobično velike oči Plotosaura ukazuju na to da je on posebno učinkovit grabežljivac ostalih morskih gmazova, ali, nažalost, nije dovoljno učinkovit da ga ne bi izumrli, zajedno sa svim svojim rođacima mosaurima K / T meteorski utjecaj.
prapovijesnog kita Cetotherium, čija se vrsta prostirala obalama Kalifornije prije milijuna godina, može se smatrati manjom, ležernijom verzijom modernog sivog kita. Poput svog modernog potomka, Cetotherium je filtrirao plankton iz morske vode uz pomoć pločica bala. Vjerojatno ju je plijenio div prapovijesnih morskih pasa od miocenski epoha, roster koji uključuje 50 tona dugačak 50 tona Megalodon, najveći prapovijesni morski pas koji je ikada živio.
Iako su sabljasti tigar i vuk Dire najpoznatiji megafaunski sisavci koje su se mogle oporaviti iz jama La Brea Tar, bile su daleko od jedinih komično divovskih krznenih zvijeri iz pleistocena u Kaliforniji. Također su se pojavile ove države Američki Mastodon, the Divovski zemljani lentu, i Divovski kratki medvjed, od kojih su sve izumrle nedugo nakon posljednjeg ledenog doba, žrtve klimatskih promjena, kao i lovi indijanskih plemena.