Герцог Карл (позже король Швеции Карл IX) 5 марта 1584 даровал поселению статус города и сделал его центром провинции. Сам Карлстад на тот момент насчитывал 45 домов. Название города дословно означает город Карла.

Герцог так же построил свою резиденцию в городе (швед. Kungsgården, англ. The King's Manor). На месте этого строения архитектором Кристианом Халлером (англ. Christian Haller) в 1724—1730 годах был построен Кафедральный собор Карлстада.

Значимый государственный переворот в современной истории Швеции имел корни в Карлстаде. В ночь 7 Марта 1809, Георг Адлерспарре использовал часть вверенной ему западной армии, чтобы занять Карлстад. Затем он официально провозгласил революцию, и 9 Марта его армия начала движение в направлении столицы для содействия низвержению короля Густава IV Адольфа.

Как и многие другие старые города, Карлстад постадал от нескольких крупных пожаров. После пожара 2 июля 1865 в городе сохранились лишь 7 домов из 240, в том числе уцелел кафедральный собор[1]. После этого Карлстад был перестроен согласно сеточному шаблону с широкими улицами, засаженными деревьями.

31 августа — 23 сентября 1905 в Карлстаде проходили переговоры шведских и норвежских представителей об условиях разрыва Шведско-норвежской унии.