Миссия Калтеха формулируется как «распространение знаний в целях процветания общества за счет интеграции исследований и образования». В нем обучаются примерно 850—900 студентов по программам бакалавриата и 1200 — в магистратуре и докторантуре. Ежегодно присуждаются примерно 250 степеней бакалавра наук и около 300 — магистра и доктора наук. Обучение ведут 300 профессоров и преподавателей и почти 1000 ассистентов и других помощников. Среди них всемирно известные ученые и инженеры, лауреаты Нобелевской и других престижных научных премий. В разные годы в Калтехе работали и преподавали 31 нобелевский лауреат. В 2007 г. преподавание вели 108 действительных членов Национальной академии наук, Национальной инженерной академии и Института медицины. Именно в нем были сделаны такие фундаментальные работы, как открытие позитрона, разработаны теория химических связей и теория кварков, дано начало новым направлениям науки, например, молекулярной биологии, ряду наук о Земле, новейшим космогоническим концепциям.
Учебный год в Калтехе делится на четверти: одна четверть до Нового года и две — в весенне-зимний период. Летняя четверть, характерная для многих американских университетов, в Калтехе не практикуется. Поэтому учебный год в нем начинается в конце сентября и заканчивается в июне. Обучение в Калтехе требует от студентов большего напряжения сил — в каждой четверти студент обязан посещать пять курсов по программе специализации или опциона (option), а не четыре, как в большинстве других университетов. Тем не менее, почти 10% студентов выбирают программы двойной специализации за тот же срок обучения. Это легко достигается, если вторая специализация приходится на социальные и гуманитарные науки. Как правило, специализация в этих областях сопряжена с естественными дисциплинами. Двойная специализация в рамках одной области не поощряется, хотя технически возможна.
Абитуриенты, поступающие в Калтех, имеют самые высокие вступительные оценки по общенациональным тестам, однако оценки выпускников Калтеха — в среднем самые низкие из ведущих исследовательских университетов. Обучение в сильной степени ориентировано на естественные науки. Студенты, обучающиеся по программам бакалавра наук, должны успешно закончить пять курсов математики, включая дифференциальное исчисление, статистику и теорию вероятности, пять курсов физики, включая квантовую механику, специальную теорию относительности и статистическую механику, два курса химии и курс биологии. Очень немногие студенты отсеиваются в процессе обучения, а примерно 60% заканчивают его с отличием. При этом только 80% делают это в отведенные программой четыре года. Это также самый низкий показатель среди ведущих исследовательских университетов. Остальным требуется больший срок для окончания — шесть и более лет.