Первое поселение на месте современного города было основано 4 декабря 1786 года как миссия испанских францисканцев и получило название в честь Святой Великомученицы Варвары.
Санта-Барбара расположена приблизительно в 140 км к северо-западу от Лос-Анджелеса на берегу Тихого океана. С севера город окружает хребет Санта-Инез, некоторые пики которого превышают высоту 1000 метров над уровнем моря, защищая поселение от континентальных ветров.
Санта-Барбара находится в зоне сейсмической неустойчивости, периодически происходят колебания земной коры. Так, 29 июня 1925 года в результате сильного землетрясения практически все здания города были разрушены.
Согласно переписи 2014 года население составило 90 385 человек, из которых около 74 % — белые. Более трети (примерно 35 %) жителей являются испаноязычными. Также около трети — несовершеннолетние (до 21 года по законам США).
Климат в городе субтропический средиземноморский, поэтому побережье округа Санта-Барбара часто называют Американская Ривьера по аналогии с Лазурным Берегом. Горы защищают город от континентальных ветров, поэтому господствуют тихоокеанские воздушные массы, исключающие холода зимой и сильную жару летом.
Самый холодный месяц года — январь (11,1°C), самый тёплый — август (19,3 °C). Среднегодовая температура — 15,1 °C. Среднегодовое количество осадков — 413 мм, из них на май-октябрь приходится всего лишь 33 мм. Осадки выпадают в основном в тёмное время суток в виде кратковременных дождей. Снег бывает очень редко, не каждый год, и быстро тает.