Cele mai timpurii urme de viață din Karlovo datează din epoca neolitică /mileniul VI î.Hr./. În zona Yas Tepe de la vest de oraș a existat o așezare neolitică. Triburile tracice care au locuit ținuturile din jurul orașului Karlovo de astăzi în timpul epocii târzii a fierului / secolul al VI-lea î.Hr. - Secolul I/, conform cercetătorilor, sunt incluse în etnonimul colectiv Odrisi.
În vecinătatea orașului de astăzi au existat mai multe așezări și cetăți:Karlovsko Kale, o mică fortăreață antică târzie, datând din secolele IV - VI. Este situat pe un escarp montan deasupra parcului „Besh bunar”; Sushitsko Kale - este situat pe versanții sudici ai Starei Planina, la est de actualul cartier „Sushitsa”, a continuat să existe în secolele XII-XIV; cetatea de deasupra Paraclisului „Sf. Treime”, la nord-est de Karlovo, a existat și în secolele XII-XIV.
Moscheea Kurshum (acoperită cu foi de plumb) a fost construită în 1485 de liderul militar otoman Ali Bey, fiul lui Karl.
Moscheea Kurshum este astăzi cel mai vechi monument arhitectural de cultură păstrat din oraș.
În orașul Karlovo, există în prezent aproximativ 115 case care sunt monumente culturale. În timpul Renașterii, în oraș s-au dezvoltat peste 30 de tipuri de meșteșuguri: fabricarea țevilor, fabricarea trandafirilor, fabricarea basmei, fabricarea cuprului, fabricarea pielii, țesutul, fabricarea aurului, fabricarea mătăsii etc. Karlovo se formează ca un oraș prosper din punct de vedere economic, cu o creștere extraordinară a meșteșugurilor și comerțului, care depășește granițele Imperiului Otoman și se află în principal în mâinile
roducătorilor și comercianților bulgari. Marii negustori Pulievi, Geshov, Hadjidimitrovi, Georgievi ș.a. Ei desfășoară o activitate comercială largă în toate piețele Imperiului Otoman, cu Țara Românească,
Moldova, Rusia, Franța, Anglia și altele.
În secolul al XVII-lea, Avram Yerei Dimitrevich, un reprezentant al școlii literare Karlov-Adjara, a lucrat aici ca „scriitor priceput” și profesor.
În timpul Renașterii, Karlovo a fost un important centru educațional și literar. Aici lucrează pedagogi și educatori proeminenți ai Renașterii: Raino Popovich, Botjo Petkov - tatăl lui Hristo Botev, Hristo Popvasilev, Braiko Hadjigenov, Dimitar Popov și alții.
La mijlocul secolului al XIX-lea au fost construite /restaurate în 1851/ cele două biserici „Adormirea Maicii Domnului” în care în 1859 Vasil Levski a fost hirotonit ierodiacon iar „Sf. Nikolai" /1847/, în care sărbătoarea scrierii slave a fost sărbătorită pentru prima dată în 1858, iar la 16.01.1878 a fost ales Primul consiliu municipal. În curtea bisericii se află mormântul mamei lui Vasil Levski, Ghina Kuncheva.
În 1892, Karlovo a participat la prima expoziție de la Plovdiv. Pavilionul a fost construit din fondurile lui Evlogii Georgiev, în care sunt expuse lucrări ale industriei și meșteșugurilor locale. Expozanții din Karlovo primesc trei medalii de aur, 19 de argint, 13 de bronz și 2 diplome de onoare.
În 1926, a fost construită una dintre primele hidrocentrale din Bulgaria, hidrocentrala Stara Reka; calea ferata linia Plovdiv - Karlovo /1933/, Crama /1933/; au fost construite banci, fabrici si scoli.
Karlovo este locul de naștere al unui număr de educatori, persoane publice, donatori, artiști, figuri militare, constructori ai Bulgariei moderne.