Die frühesten Spuren von Leben in Karlovo stammen aus der Jungsteinzeit (6. Jahrtausend v. Chr.). Eine neolithische Siedlung existierte in der Gegend von Yas Tepe westlich der Stadt. Forschern zufolge gehören die thrakischen Stämme, die während der späten Eisenzeit (6. Jahrhundert v. Chr. - 1. Jahrhundert n. Chr.) das Gebiet um das heutige Karlovo bewohnten, zu dem kollektiven Ethnonym Odrisi.
In der Nähe der heutigen Stadt gab es mehrere Siedlungen und Festungen. Sie liegt an einem Berghang oberhalb des Besh Bunar Parks; Sushitsko Kale - liegt an den südlichen Hängen des Balkangebirges, östlich des heutigen Stadtteils Karlovy Vary. "Sushitsa", bestand im 12. bis 14. Jahrhundert; die Festung oberhalb der Kapelle der "Hl. Dreifaltigkeit", nordöstlich von Karlovo, bestand im 12. bis 14. Jahrhundert weiter.
Die Kurschum-Moschee (mit Bleiplatten bedeckt) wurde 1485 von dem osmanischen Kriegsherrn Ali Bey, dem Sohn von Karlu, erbaut. Die Kurshum Moschee ist heute das älteste erhaltene Baudenkmal der Stadt.
In der Stadt Karlovo gibt es derzeit etwa 115 Häuser von Kulturdenkmälern. Während der Renaissance entwickelten sich in der Stadt mehr als 30 Handwerkszweige: Gaitanj, Rosenherstellung, Messingherstellung, Kupferschmiedekunst, Lederherstellung, Weberei, Goldschmiedekunst, Seidenherstellung, usw. Karlovo entwickelte sich zu einer wirtschaftlich blühenden Stadt mit einem außergewöhnlichen Aufschwung von Handwerk und Handel, der über die Grenzen des Osmanischen Reiches hinausging und hauptsächlich in den Händen bulgarischer
Produzenten und Kaufleuten lag. Die großen Kaufleute Puliyev, Geshov, Hadjidmitrov, Georgiev, etc. Sie entwickelten eine umfangreiche Handelstätigkeit auf allen Märkten des Osmanischen Reiches, mit der Walachei,
Moldawien, Russland, Frankreich, England, usw.
Im 17. Jahrhundert arbeitete Avram Yerei Dimitrevich hier als "erfahrener Schreiber" und Lehrer,
ein Vertreter der Karlovo-Adjara-Schule der Literatur. Während der Renaissance war Karlovo ein wichtiges Bildungs- und Literaturzentrum. Prominente Pädagogen und Aufklärer der Renaissance wirkten hier.
In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden die beiden Kirchen "Mariä Himmelfahrt" (umgebaut 1851) gebaut, in denen wurde Vasil Levski 1859 zum Hierodekan geweiht wurde und "St. Nikolaus" /1847/, in der 1858 zum ersten Mal das Fest des slawischen Alphabets gefeiert wurde, und in der am 16.01.1878 der erste Stadtrat gewählt wurde. Auf dem Kirchhof befindet sich das Grab von Vasil Levskis Mutter Gina Kuncheva.
1892 nahm Karlovo an der Ersten Plovdiver Ausstellung teil. Der Pavillon wurde mit den Mitteln von Evlogy Georgiev gebaut, in dem die Werke der lokalen Industrie und des Handwerks ausgestellt wurden. Die Aussteller aus Karlovo erhielten drei Gold-, 19 Silber- und 13 Bronzemedaillen sowie 2 Ehrendiplome.
1926 wurde eines der ersten Wasserkraftwerke Bulgariens gebaut, das Wasserkraftwerk Stara Reka; die Eisenbahnlinie Plovdiv - Karlovo wurde 1933 gebaut, die Weinkellerei 1933; Banken, Fabriken und Schulen wurden errichtet.
Karlovo ist der Geburtsort einer Reihe von Aufklärern, Persönlichkeiten des öffentlichen Lebens, Stiftern, Künstlern, Militärs und Erbauern des modernen Bulgarien.