La medida entrará en vigor el 1 de julio de 2015 en supermercados y farmacias y al cabo de un año en tiendas y licorerías.
«Esta ley es un paso hacia la buena dirección: reducirá la enorme cantidad de plástico que contamina nuestras playas, nuestros parques y una gran parte de los océanos», dijo Brown, citado en un comunicado.
«Somos los primeros en prohibir estas bolsas, pero no seremos los últimos», aseguró el político demócrata.
La medida, que fue aprobada a principios de septiembre por el Parlamento de California, permitirá a las tiendas cobrar 10 centavos por el uso de bolsas de papel o reutilizables.
Alrededor de 120 ciudades californianas, entre ellas Los Ángeles y San Francisco, ya habían aprobado iniciativas similares para reducir los desechos de plástico y proteger el medioambiente.
El partido republicano se opuso al proyecto al alegar que afectará a las pequeñas y medianas empresas, mientras que los fabricantes aseguraron que provocará la pérdida de puestos de trabajo.
La ley contempla facilitar hasta 2 millones de dólares en préstamos gestionados por la empresa estatal CalRecycle para los comercios que ofrezcan bolsas reutilizables.