Las primeras huellas de vida en Karlovo datan de la Edad de Piedra Nueva (alrededor del VI milenio a.C.). En la región de Yass Tepe al oeste de la ciudad, existió un asentamiento neolítico. Las tribus tracias que habitaban las tierras alrededor de la actual Karlovo durante la Edad del Hierro Tardía (VI a.C. - I a.C.), según los investigadores, forman parte del etnónimo general Odrisi.
Cerca de la ciudad actual, existían varios asentamientos y fortalezas: la fortaleza de Karlovo, una pequeña fortaleza de la antigüedad tardía que data de los siglos IV-VI. Se encuentra en la ladera de la montaña sobre el parque "Beshbunar". La fortaleza de Sushitsa, ubicada en las laderas del sur de Stara Planina, al este del actual barrio "Sushitsa", continuó existiendo en los siglos XII-XIV. La fortaleza sobre la capilla "Santa Trinidad", al noreste de Karlovo, existió también en los siglos XII-XIV.
La mezquita de Kurshum (cubierta con láminas de plomo) fue construida en 1485 por el comandante militar otomano Ali Bey, hijo de Karl. La mezquita de Kurshum es hoy el monumento arquitectónico conservado más antiguo de la ciudad.
En la ciudad de Karlovo, actualmente hay alrededor de 115 casas monumento cultural. Durante el Renacimiento, más de 30 tipos de artesanías se desarrollaron en la ciudad, como la fabricación de gaítas, la producción de rosas, la elaboración de papel maché, la orfebrería, la fabricación de cuero, la tejeduría, la orfebrería, la producción de seda, etc. Karlovo se convirtió en una ciudad económicamente próspera con un notable auge de las artesanías y el comercio, que superó las fronteras del Imperio Otomano y estaba principalmente en manos
de los productores y comerciantes búlgaros. Los comerciantes importantes como los Pulievs, Geshovs, Hadzhidimitrovs, Georgievs, entre otros, desarrollaron una amplia actividad comercial en todos los mercados del Imperio Otomano,
con Valaquia, Moldavia, Rusia, Francia, Inglaterra, entre otros.
En el siglo XVII, trabajó aquí como "un experimentado bibliotecario" y maestro, Avram yerey Dimitrevich,
representante de la Escuela Literaria de Karlovo-Adzhar. Durante el Renacimiento, Karlovo fue un importante centro educativo y literario. Aquí trabajaron destacados pedagogos y educadores renacentistas como Rayno Popovich, Botyo Petkov (padre de Hristo Botev), Hristo Popvasilev, Brayko Hadzhigenov, Dimitar Popov, entre muchos otros.
En la mitad del siglo XIX, se construyeron las dos iglesias, "Asunción de la Santa Virgen María" (reconstruida en 1851), donde en 1859 Vasil Levski fue ordenado como hierodiácono, y "San Nicolás" (1847), donde por primera vez en 1858 se celebró la fiesta de la escritura eslava. El 16 de enero de 1878 se eligió el primer consejo municipal. En el patio de la iglesia se encuentra la tumba de la madre de Vasil Levski, Ghina Kuncheva.
En 1892, Karlovo participó en la Primera Exposición de Plovdiv. El pabellón fue construido con fondos de Evlogi Georgiev, donde se exhibieron productos de la industria local y artesanías. Los expositores de Karlovo recibieron tres medallas de oro, 19 de plata, 13 de bronce y 2 diplomas honorarios.
En 1926 se construyó una de las primeras centrales hidroeléctricas en Bulgaria, la Central Hidroeléctrica "Stara Reka"; la línea de ferrocarril Plovdiv - Karlovo (1933), la bodega vinícola (1933); se construyeron bancos, fábricas y escuelas.
Karlovo es el lugar de nacimiento de muchos ilustradores, líderes cívicos, donantes, creadores, militares y constructores de la Bulgaria moderna.