Valkampanjen har till stora delar handlat om brottsligheten och problemen med hemlöshet i staden, som är den största i delstaten.
Miljardären Caruso, som lagt in tiotals miljoner dollar i valkampanjen, gick över till Demokraterna från Republikanerna för fem år sedan och har marknadsfört sig som en centerpolitiker som står emot det progressiva etablissemanget.
Bass, som hittills ligger runt tre procentenheter efter Caruso, är däremot en favorit hos partiets progressiva gren. Hon har gjort sig ett namn efter att ha bidragit med reformer inom polisväsendet efter George Floyds död sommaren 2020, vilken ledde till protester mot rasism och polisbrutalitet över hela världen. Bass stod också på president Joe Bidens korta lista över möjliga vice presidenter.
I Kaliforniens valsystem går de två kandidaterna med flest röster, oavsett parti, vidare som representanter till mellanårsvalen.
Vinner Bass skulle hon bli första kvinnan på posten och den andra svarta borgmästaren i stadens historia. De två kandidaterna fick långt fler röster än någon annan kandidat, 41 respektive 38 procent, enligt preliminära resultat.
På guvernörsposten i Kalifornien blir det sittande demokratiske guvernören Gavin Newsom som gör upp mot republikanen Brian Dahle, skriver AP. Newsom är storfavorit inför höstens val och väntas säkra ytterligare en fyraårsperiod på posten.
Primärval hölls även i delstaterna Iowa, Mississippi, Montana, New Jersey, New Mexico och South Dakota under tisdagen.
