Най-старите следи от живот, открити в землището на Карлово, датират от новокаменната /неолитната/ епоха / VІ хил. пр. Хр./ В местността „Ясъ тепе” западно от Карлово е съществувало неолитно селище.
През средновековието в близост до днешно Карлово са съществували няколко селища, едно от които до местността „Свети Пантелеймон” и вероятно е средновековната българска Сушица. В западната част на града в кв. „Бадемлика” е открит средновековен некропол. До самия балкан се е намирал средновековният манастир „Свети Спас”.
През 70-те години на ХІV век Карловската долина е завладяна от османските турци.
В края на ХV в. султан Баязид ІІ дарява на османския военачалник Карлъ Али бей с. Сушица и принадлежащите му земи като феодално владение.
През 1485 год. Карлъ Али бей построява с материали от разрушения манастир „Свети Спас” Куршум джамия, която е най-старият архитектурен паметник в града.
Името Карлово се налага постепенно в по-късно време и вероятно произлиза от фамилното име на Карлъ бей : Карлъ’ова – земя на Карлъ.
Връх на своя икономически и духовен разцвет градът достига в периода на Възраждането. Развиват се занаятите : отглеждане на маслодайна роза и производство на розово масло изнасяно в Англия, Франция, Цариград; 40 леярски работилници; кована мед – казанджийство, медни домакински съдове 47 вида, отличаващи се с художествен усет, калаени съдове за ракия и павури; обущарство /папукчии/, дюлгерство; железарство; стъкларство; производство на барут; златарство – представяно на големия панаир в Узунджово; 24 еснафски сдружения; терзии /шивачи/; самарджии ; копринари; арабаджии /колари/; тепавичари; мутафчии /тъкачи на изделия от козя вълна/; грънчари; кафтанджии /шивачи на горни мъжки дрехи/; астарджии /тъкачи на платна/.
В средата на ХІХ в. са построени две големи църкви – „Св. Николай” и „Св. Богородица”.
Училището в Карлово възниква около 1810 год.Епоха в образователното дело в града е дейността на учителя и преводача Райно Попович / 1773 – 1858г./
В народната памет Карлово най-вече се свързва с това, че е родния град на Васил Левски. Васил Иванов Кунчев - Левски /1837-1873/ - национален революционер, организатор на националноосвободителното движение, създател на Вътрешната революционна организация, организатор на комитетската мрежа с цел освобождение на България от турско робство.

В Карлово е роден д-р Иван Богоров / 1818 – 1892г./ - публицист, преводач, издател на първия български вестник „Български орел”. 
Бележит учител, книжовник, публицист и общественик Ботьо Петков /1815 – 1869г./ - баща на великия поет и революционер Христо Ботев – също е роден в Карлово.
На 11 май 1861 год. карловци основават читалището в града, което става средище на просвета и революционни идеи. Безспорен принос в духовното пробуждане и развитието на девическото образование в града има Женското дружество, създадено на 14 септември 1869 год.
Няма област в обществения живот, изкуството, науката, в която Карлово да няма принос: Иван Попов – основател на българския театър и негов историограф; Пешо Радоев – основоположник на балетното изкуство; бележитите артисти Васил Кирков и Елена Снежина; Райна Касабова – първата жена в света летяла на боен самолет; Анка Ламбрева – първата българска околосветска пътешественичка; алпиниста Христо Проданов; Иван /Джон/ Ночев – ракетен конструктор и много други.
Карлово дава на България забележителни и щедри дарители – двамата най-изтъкнати братя Евлоги и Христо Георгиеви дарили средства за най-големия университет в България „Св. Климент Охридски” в София, както за болници, църкви и училища.