Для того чтобы подготовить студентов к высоким требованиям учебного процесса в высшей школе, в Калтехе применяется специальная система: в течение первой четверти знания студентов оцениваются по схеме сдал не сдал и им не ставят никаких оценок. Во второй четверти применяется система «мягких» оценок, позволяющая плавно перейти к полномасштабной оценке знаний. При этом всемерно поощряется коллективная работа над заданиями, часто она является необходимым условием успеха.
Обучение в Калтехе ведется в тесной связи с проводимыми в его лабораториях и институтах исследованиями. В комплекс Калтеха входят два крупных исследовательских центра, которые финансируются за счет средств федерального бюджета, но находятся под управлением института — Обсерватория Маунт Уилсон и Лаборатория реактивного движения, в которых работают более 5 тыс. исследователей. Последняя с момента своего образования в 30-х годах XX в. является главным центром разработки ракетно-космических технологий в США. Помимо этого в институте действуют несколько десятков исследовательских центров разного размера, которые формируются по мере появления новых научных направлений и затем прекращают существование после выполнения своей научной миссии.
Студенты всячески поощряются за участие в исследовательских проектах. Примерно половина из них работают в течение летней четверти в лабораториях института в рамках специальной программы (Summer Undergraduate Research Fellowships or SURF). Для участия в этой программе студент должен подать заявку, которая визируется его преподавателем. Программа открыта для внешних студентов из других университетов и выполняет функцию отбора потенциальных кандидатов для обучения на старших курсах в магистратуре.
Из-за небольшого размера Калтеха его специалисты не могут вести масштабные исследования, которые требуют вовлечения значительных ресурсов и числа работников, но институт получил широкую известность за свои междисциплинарные программы. Администрация института придерживается принципа концентрации усилий на ключевых направлениях науки и высочайшего качества проводимых работ.
Несмотря на то, что Калтех считается ведущим исследовательским центром США, его основной функцией, закрепленной в формулировке миссии, остается «распространение знаний». Поэтому центральной фигурой в нем является провост, т.е. высший руководитель администрации института, отвечающий за все аспекты организации учебного процесса, включая формирование бюджета всех учебных подразделений, подбор и назначение профессоров и преподавателей, разработку расписания и т.п. Ему непосредственно подчиняются директора всех шести академических (учебных) отделений.
Отделение биологии предлагает программы в области биохимии, биофизики, молекулярной биологии, генетики, иммунологии, биологии развития, структурной биологии, молекулярной биологии, неврологии, вирусологии. Часть программ ведется в кооперации с отделением химии и химических технологий. Помимо этого данное отделение, поскольку Калтех не имеет своего медицинского центра, ведет интенсивные исследовательские и учебные программы совместно с медицинскими центрами других ведущих университетов Лос-Анджелеса. При обучении по таким программам студенты имеют возможность получить звание доктора наук от Калтеха и звание доктора медицины от университета-партнера. .
Для того чтобы сориентировать новичков на то или иное направление биологии, в отделении практикуется ротация исследовательской практики в первый год обучения: каждый студент должен проработать в одной из исследовательских лабораторий отделения три-четыре месяца, сменив за год несколько мест. С помощью этого механизма укрепляются внутренние коммуникации и связи между студентами и преподавателями. У студентов формируются реалистические представления о том, по каким направлениям развиваются исследования в отделении. В дополнение к ротации профессора проводят специальные обзорные семинары с анализом выполняемых исследований. К концу первого года каждый студент должен выбрать, в какой из лабораторий он будет проводить свои исследования для подготовки выпускной работы.
Отделение химии и химических технологий является старейшим в Калтехе. Оно существует с момента реорганизации института в 1921 г., а его выпускники шесть раз становились лауреатами Нобелевских премий. Обучение на данном отделении ведется в малых группах, чтобы обеспечить прямые контакты преподавателя со студентами, поощряются все виды исследовательской работы и междисциплинарные программы, особенно в таких областях, как геохимия и охрана окружающей среды. Основными направлениями обучения являются традиционная химия и химические технологии, био- и молекулярная химия, технологии и методология охраны окружающей среды, биотехнологии. В рамках последнего направления обучение ведется по биомеханике и бионике, синтетической биологии, биологии систем и др. Специалисты по окружающей среде изучают взаимодействия между атмосферой, гидросферой, биосферой и литосферой, что должно привести к лучшему пониманию механизмов формирования климата, учатся строить модели местных воздействий на среду промышленных выбросов и т.п.
Отделение инженерных и прикладных наук — одно из старейших в институте и наиболее крупных. Студентам предлагается 14 направлений специализации (опционов), которые нацелены на самые перспективные области технологического развития, такие как аэронавтика, компьютерные технологии, новые материалы, строительные технологии, энергетические исследования, квантовую и био-информатику, нейронные сети и др. Отделение является одним из самых крупных в институте и поддерживает около 15 исследовательских центров. Специальная программа позволяет студентам отделения получить знания и опыт работы в компаниях Японии как одного из главных конкурентов США на международных рынках технологий.
Каждое из отделений предлагает своим слушателям программы обучения всех уровней — от бакалавра до магистра и доктора наук. Студенты могут получить также звание инженера, но это происходит относительно редко. За все время существования института только примерно 400 выпускников стали дипломированными инженерами, а в 2006—2007 гг. не было подготовлено ни одного инженера.