O juiz Charles Breyer, com sede em San Francisco, emitiu a ordem para o Distrito Norte da Califórnia, de acordo com um processo judicial.
Ele suspendeu o caso até 12 de setembro e é provável que o governo Trump recorra.
Trump ordenou que 4.000 membros da Guarda Nacional e 700 fuzileiros navais da ativa dos EUA fossem para Los Angeles em junho, em resposta aos protestos contra as operações de imigração em larga escala na segunda maior cidade dos EUA.
O envio inflamou as tensões na cidade e atraiu a condenação dos democratas, que disseram que Trump estava usando os militares para sufocar a oposição às suas políticas de imigração rígidas.
O caso levantou novas questões legais sobre a autoridade presidencial.
A ação movida pelo governador da Califórnia, o democrata Gavin Newsom, alegou que as tropas violam normas norte-americanas de longa data e uma lei conhecida como Posse Comitatus, que limita drasticamente o uso de tropas federais para a aplicação da lei nacional.
Em seu parecer, Breyer disse que as evidências no julgamento mostraram que o governo Trump usou tropas e veículos militares para estabelecer perímetros de proteção, bloquear o tráfego e se envolver no controle de multidões.
"Em resumo, os réus violaram a lei Posse Comitatus", escreveu Breyer.
O governo Trump argumentou que a Constituição dos EUA permite que os presidentes usem tropas para proteger funcionários e propriedades federais como uma exceção à lei Posse Comitatus.
Em junho, Breyer considerou que o envio da Guarda Nacional da Califórnia por Trump era provavelmente ilegal e ordenou que as tropas fossem devolvidas ao controle de Newsom. Isso foi revertido pela Corte de Apelações do 9º Circuito dos EUA uma semana depois.
O julgamento de três dias, que terminou em 13 de agosto, abordou as ações dos militares depois que eles foram destacados para ajudar os policiais federais e os agentes de imigração.
Trump enviou separadamente a Guarda Nacional para patrulhar Washington, D.C., uma cidade que ele disse estar repleta de crimes. É improvável que a decisão de Breyer tenha impacto sobre a situação lá, porque o presidente tem mais margem de manobra para usar a Guarda Nacional em Washington do que nos Estados.