Les premières traces de vie à Karlovo remontent au néolithique /6e millénaire av J.-C./. Une colonie néolithique existait dans la région de Yasa Tepe, à l’ouest de la ville. Les tribus thraces qui habitaient les terres autour de l’actuelle Karlovo à la fin de l’âge du fer /6e siècle av. - Ie siècle/, selon les chercheurs, ils sont inclus dans l’ethnonyme collectif Odryses.
Plusieurs colonies et forteresses existaient à proximité de la ville actuelle: La fortresse de Karlovo, une petite forteresse de l’Antiquité tardive, datant du IVe au VIe siècle. Il est situé sur un escarpement montagneux au-dessus du parc « Besh Bunar » ; la fortresse de Sushitsa - est située sur le versant sud de Stara Planina, à l’est du quartier actuel. « Sushitsa », qui a continué d'exister aux XIIe-XIVe siècles; la forteresse au-dessus de la chapelle Sv. Troitsa, au nord-est de Karlovo, existait également aux XIIe et XIVe siècles.
La mosquée Kurshum (recouverte de feuilles de plomb) a été construite en 1485 par le chef militaire ottoman Ali Bey, fils de Karl. La mosquée Kurshum est aujourd’hui le plus ancien monument architectural culturel conservé de la ville.
Karlovo compte actuellement environ 115 maisons qui sont des monuments culturels. Durant la Renaissance, plus de 30 types d’artisanat se développent dans la ville: fabrication de tresses, fabrication de roses, fabrication de calicot, fabrication de cuivre, fabrication de cuir, tissage, fabrication d’or, fabrication de soie, etc. Karlovo est devenue une ville économiquement prospère avec un essor exceptionnel de l’artisanat et du commerce, qui dépassait les frontières de l’Empire ottoman et était principalement aux mains des
fabricants et commerçants bulgares. Les grands marchands Pulievi, Geshovi, Hadzhidimitrovi, Georgievi et autres. Ils développent une large activité commerciale sur tous les marchés de l’Empire Ottoman, avec la Valachie,
Moldavie, Russie, France, Angleterre, etc.
Au XVIIe siècle, Avram Yerei Dimitrevich travaillait ici comme « scribe qualifié » et enseignant
représentant de l’École littéraire de Karlovo-Adzhara. À la Renaissance, Karlovo était un important centre éducatif et littéraire. D’éminents éducateurs et éducateurs de la Renaissance travaillent ici: Rayno Popovich, Botyo Petkov - le père de Hristo Botev, Hristo Popvasilev, Brayko Hadzhigenov, Dimitar Popov et plusieurs autres.
Au milieu du XIXe siècle, les deux églises Assomption de la Bienheureuse Vierge Marie furent construites /restaurées en 1851/, dans lesquelles en 1859 Vasil Levski fut ordonné hiérodiacre et Sv. Nikolay /1847/, au cours de laquelle la fête de l’écriture slave a été célébrée pour la première fois en 1858, et le 16/01/1878, le premier conseil municipal a été élu. Dans la cour de l’église se trouve la tombe de la mère de Vasil Levski, Gina Kuncheva.
En 1892, Karlovo participe à la première exposition de Plovdiv. Le pavillon a été construit grâce aux fonds d’Evlogiy Georgiev, dans lequel sont exposées des œuvres de l’industrie et de l’artisanat locaux. Les exposants de Karlovo reçoivent trois médailles d’or, 19 d’argent, 13 de bronze et 2 diplômes honorifiques.
En 1926, l’une des premières centrales hydroélectriques de Bulgarie, la centrale hydroélectrique de Stara Reka, a été construite; chemin de fer la ligne Plovdiv - Karlovo /1933/, la Cave à vin /1933/ ; des banques, des usines et des écoles ont été construites.
Karlovo est la ville natale d’un certain nombre d’éducateurs, de personnalités publiques, de donateurs, d’artistes, de militaires et de bâtisseurs de la Bulgarie moderne.