La Falla de Sierra Madre se extiende a lo largo del frente sur de las montañas de San Gabriel, sobre el valle de San Gabriel y ciudades como Pasadena y Sierra Madre, en el sur de California. Es una falla inversa (de cabalgamiento) que empuja las montañas hacia el sur sobre el valle en respuesta a la compresión de la corteza que se curva en torno a la Falla de San Andrés.
Junto con la contigua Falla de Cucamonga, forma un sistema de cabalgamientos responsable del continuo ascenso de las montañas de San Gabriel y de su empinada cara surcada por cañones. Su levantamiento lento pero persistente ha contribuido a que sean una de las sierras de mayor crecimiento de la región.
El terremoto de San Fernando (Sylmar) de 1971 (magnitud ~6,6) rompió una parte occidental de este sistema de cabalgamientos, matando a decenas de personas y provocando graves daños en hospitales y autopistas. Las evidencias paleosísmicas indican que la falla puede generar rupturas aún mayores bajo el área metropolitana de Los Ángeles.