Nông nghiệp là ngành kinh tế chính tại hầu hết Thung lũng Trung tâm. Một ngoại lệ đáng chú ý về ưu thế của nông nghiệp là tại khu vực Sacramento, nơi có một lực lượng lao động lớn và ổn định làm việc cho chính quyền bang đã khiến nền kinh tế ở đây cách xa khỏi nông nghiệp. Mặc dù xảy ra việc cắt giảm tuyển dụng nhà nước và đóng cửa một số căn cứ quân sự, song kinh tế của Sacramento vẫn tiếp tục phát triển, đa dạng hóa và nay rất tương đồng với kinh tế của khu vực vịnh San Francisco lân cận. Các nguồn chính trong việc gia tăng dân số trong Thung lũng Trung tâm là những người nhập cư từ khu vực vịnh San Francisco để tìm kiếm chi phí nhà ở thấp hơn, cũng như những người nhập cư đến từ châu Á, Trung Mỹ, México, Ukraina và phần còn lại của Liên Xô cũ.[2]

Thung lũng Trung tâm là một trong các khu vực sản xuất nông nghiệp năng suất nhất trên thế giới và là vùng đất loại 1 lớn nhất thế giới.[1] Có trên 230 cây trồng được phát triển tại đây.[1] Với ít hơn 1% tổng diện tích đất nông nghiệp tại Hoa Kỳ, Thung lũng Trung tâm sản xuất 8% giá trị tổng sản lượng nông nghiệp quốc gia: 17 tỉ USD vào năm 2002. Sản xuất nông nghiệp của Thung lũng Trung tâm dựa vào hệ thống tưới lấy nước từ cả nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm. Khoảng một phần sáu diện tích đất đai được tưới tại Hoa Kỳ là ở Thung lũng Trung tâm.[23]

Gần như toàn bộ các cây trồng phi nhiệt đới đều được trồng tại Thung lũng Trung tâm, nó là nguồn cung cấp chính của một số nông sản trên khắp Hoa Kỳ, bao gồm cà chua, hạnh, nho, sợi bông, mơ, và măng tây.[24] Tại Thung lũng Trung tâm có 6.000 người trồng hạnh và mỗi năm sản xuất ra trên 600 triệu pound (~272 nghìn tấn), chiếm khoảng 70% nguồn cung của thế giới.[25] Năm 2007, bốn quận có doanh thu nông nghiệp hàng đầu ở Hoa Kỳ đều nằm tại Thung lũng Trung tâm. Chúng là quận Fresno (#1 với doanh thu 3,731 tỷ USD), quận Tulare (#2 với 3,335 tỉ USD), quận Kern (#3 với 3,204 tỷ USD), và quận Merced (#4 với 2,330 tỉ USD.[2][26]

Ban đầu, nông nghiệp tại Thung lũng Trung tâm tập trung gần đồng bằng châu thổ Sacramento-San Joaquin, nơi có mực nước cao quanh năm và dễ dàng đưa vào đồng ruộng, nhưng các dự án tưới tiêu sau đó đã khiến cho sản xuất nông nghiệp mở rộng ra nhiều khu vực khác của thung lũng.