Các đảng viên Cộng hòa của tiểu bang California rất đỗi ấn tượng với uy tín và quan điểm chính trị của Reagan sau bài diễn văn "Time for Choosing" (đến lúc chọn lựa) của ông,[78] và đề cử ông tranh chức thống đốc California năm 1966. Trong chiến dịch tranh cử của Reagan, ông nhấn mạnh hai chủ đề chính: "đưa những kẻ ăn bám trợ cấp xã hội trở lại làm việc", và khi nói đến các vụ biểu tình của sinh viên chống chiến tranh và tư tưởng chống đối xã hội đang ươm mầm tại Đại học California tại Berkeley, "để dọn dẹp lại trật tự tại Berkeley".[79] Ông đắc cử, đánh bại thống đốc hai nhiệm kỳ Edmund G. "Pat" Brown, và tuyên thệ nhậm chức ngày 2 tháng 1 năm 1967. Trong nhiệm kỳ đầu tiên, ông đình chỉ thuê mướn thêm nhân viên chính quyền và chấp thuận tăng thuế để cân bằng ngân sách tiểu bang.[80]

Ngay sau khi bắt đầu nhiệm kỳ thống đốc, Reagan thử nghiệm tranh cử tổng thống Hoa Kỳ vào năm 1968. Đây là một phần của phong trào "Chặn đứng Nixon" với hy vọng cắt đứt sự ủng hộ dành cho Nixon tại miền nam Hoa Kỳ[81] và Reagan trở thành một ứng cử viên thỏa hiệp[82] nếu như cả Nixon và người đứng hạng hai Nelson Rockefeller đều không nhận được đủ số đại biểu để chiến thắng trong vòng bầu cử đầu tiên tại Đại hội Đảng Cộng hòa. Tuy nhiên, cho đến kỳ đại hội, Nixon có được tổng số phiếu là 692 đại biểu, 25 phiếu cao hơn con số mà ông cần để được đảng Cộng hòa để cử ra tranh cử tổng thống, theo sau là Rockefeller, và thứ ba là Reagan.[81]

Reagan có dính líu vào một số vụ xung đột lớn với các phong trào biểu tình của thời đại. Ngày 15 tháng 5 năm 1969, trong suốt thời gian có các vụ biểu tình tại Đại học California tại Berkeley, Reagan phái đội tuần tra xa lộ California và các viên chức khác đến để dập tắt các cuộc biểu tình. Đây là sự kiện mà sau này được biết đến với cái tên là "Thứ năm đẫm máu" với kết cục làm chết sinh viên tên James Rector và làm mù mắt thợ mộc Alan Blanchard.[83][84] Reagan sau đó cho gọi 2.200 vệ binh quốc gia tại tiểu bang đến chiếm giữ thành phố Berkeley trong hai tuần để đàn áp những người biểu tình.[83] Một năm sau sự kiện "Thứ năm đẫm máu", Reagan đáp trả lại các chất vấn về các cuộc biểu tình tại đại học rằng "Nếu như có tắm máu thì cứ để cho nó xảy ra. Không nhân nhượng nữa."[85] Khi Quân đội Giải phóng Symbionese (nhóm cách mạng tả phái tự lập của Mỹ hoạt động giữa năm 1973 và 1975) bắt cóc Patty Hearst tại Berkeley và đòi hỏi phân phát thực phẩm cho người nghèo, Reagan đùa rằng, "Thật là quá tệ hại rằng chúng ta không thể có một nạn dịch ngộ độc thịt."[86]

Đầu năm 1967, nổ ra cuộc tranh luận về phá thai. Thượng nghị sĩ tiểu bang California thuộc đảng Dân chủ Anthony Beilenson giới thiệu "Đạo luật Phá thai Trị liệu" nhằm giảm bớt con số các vụ phá thai bất hợp pháp được tiến hành trong tiểu bang California.[83] Lập pháp tiểu bang gửi đạo luật này đến Reagan, sau nhiều ngày đắn đo, ông đã ký đạo luật này thành luật.[87] Kết quả là khoảng hai triệu trường hợp phá thai đã được tiến hành phần lớn vì một điều khoản có nói trong luật là cho phép phá thai vì sức khỏe của người mẹ.[87] Reagan chỉ nhận chức vụ thống đốc mới có bốn tháng khi ông ký thông qua đạo luật này, và phát biểu rằng nếu như ông có nhiều kinh nghiệm hơn với tư cách thống đốc thì đạo luật này sẽ không được ký thông qua. Sau khi ông nhận ra những điều mà ông gọi là "những hậu quả" của luật, Reagan công khai ông là người thuộc giới chống phá thai.[87] Ông vẫn giữ lập trường này trong sự nghiệp chính trị của mình.[88]

Mặt dù gặp phải một nỗ lực bất thành nhằm phế truất chức vụ thống đốc của ông năm 1968,[89] nhưng Reagan đã tái đắc cử thống đốc năm 1970, đánh bại Jesse Unruh. Ông không tranh cử thống đốc cho nhiệm kỳ thứ ba. Một trong những thất vọng lớn nhất của Reagan khi tại chức là có liên quan đến hình phạt tử hình mà ông là người ủng hộ nó mạnh mẽ.[26] Những nỗ lực của ông nhằm thi hành luật tiểu bang trong phạm vi này đã bị ngăn cản khi Tối cao Pháp viện California đưa ra phán quyết vụ Nhân dân đối đầu Anderson. Phán quyết này làm vô hiệu hóa tất cả các vụ kết án tử hình được đưa ra trong tiểu bang California trước năm 1972 mặc dù phán quyết này sau đó bị một tu chính án hiến pháp lật ngược. Vụ hành hình duy nhất trong lúc Reagan làm thống đốc là vào ngày 12 tháng 4 năm 1967 khi bản án của Aaron Mitchell được thi hành.[90]

Năm 1969, Reagan, với tư cách thống đốc, ký Đạo luật Luật Gia đình. Đây là luật ly dị "không lỗi" (tự nguyện ly dị) đầu tiên tại Hoa Kỳ.[91]

Hai nhiệm kỳ thống đốc của Reagan đã giúp hoạch định ra các chính sách mà ông sẽ theo đuổi trong sự nghiệp chính trị sau này với tư cách là tổng thống. Qua vận động với khẩu hiệu đưa "những kẻ ăn bám trợ cấp xã hội trở lại làm việc", ông lên tiếng chống lại ý tưởng về tình trạng phúc lợi xã hội. Ông cũng mạnh mẽ ủng hộ ý tưởng của đảng Cộng hòa về việc chính phủ nên có ít luật lệ áp đặt vào nền kinh tế.[92]

Reagan không ra tranh cử thống đốc nhiệm kỳ ba năm 1974 và chức vụ thống đốc của ông được kế vị bởi Bộ trưởng Ngoại giao California là Jerry Brown, một đảng viên Dân chủ, vào ngày 6 tháng 1 năm 1975.