Počátky historie osídlení Karlových Varů jsou zahaleny mlhou staletí. Nejstarší archeologické nálezy z okolí města prokázaly osídlení již v pravěku, nálezy z těsné blízkosti dnešního území města dokládají existenci sídel ve 13. století. Přesný rok založení města ale neznáme, zřejmě se tak stalo v polovině 14. století. Podle legendy spadl během lovecké výpravy jeden ze psů do tůně s tryskajícím pramenem horké vody. Vytí psa přivedlo k pramenu lovce, kteří vodu ochutnali. O objevu se dozvěděl také král Karel IV., který místo navštívil se svými lékaři a pravil, že horký pramen může mít léčebné účinky. Sám pramen vyzkoušel a podle pověsti skutečně zjistil, že voda přináší úlevu a léčí.
Ať již je legenda pravdivá, nebo ne, Karel IV. věnoval místu mimořádnou pozornost. Za svého života je několikrát navštívil a v roce 1370 propůjčil městu privilegium s výsadami svobodného královského města. Jeho syn, král Václav IV., v roce 1401 všechny výsady potvrdil a přidal status otevřeného města bez opevnění. Lázeňský charakter místa navíc podtrhl privilegiem, které přikazovalo dodržování klidu a zakazovalo nošení zbraní na území města.
Když v roce 1480 vydal norimberský lazebník a básník Hans Foltz veršovaný lexikon evropských lázeňských míst, uvedl ve svém díle jediné české lázně: Karlovy Vary, tehdy ještě nazývané „Teplé lázně u města Lokte“.
Rostoucí věhlas lázní narušilo několik katastrof, především obrovský požár v roce 1609, který zničil téměř všechny domy ve městě. Následující třicetiletá válka snížila počet obyvatel města i celé střední Evropy a výrazně omezila počet lázeňských hostů. Dalšího růstu se proto Karlovy Vary dočkaly až na konci 17. století. Lázně si oblíbily významné evropské osobnosti a díky rostoucímu přílivu peněz se rychle zvyšoval počet domů i obyvatel města. K rozvoji Karlových Varů paradoxně přispěly i napoleonské války, které vážně poškodily mnohá slavná lázeňská centra západní Evropy. Jejich klientelu pak přilákaly karlovarské lázně, které války nezasáhly a dokázaly nabídnout na svoji dobu špičkové služby.
V roce 1870 přijel do Karlových Varů první vlak po nově postavené trati do Chebu, o rok později město přivítalo první vlak z Prahy. Zavedení v té době nejmodernějšího typu dopravy znamenalo další nárůst počtu lázeňských hostů a předznamenalo další rozvoj města. Na jeho podobě se podepsali především vídeňští architekti Ferdinand Fellner a Hermann Helmer. Podle jejich projektů bylo postaveno dvacet výjimečných karlovarských staveb, například Grandhotel Pupp nebo Hotel Ambassador.
Pozici nejvýznamnějšího českého lázeňského města si Karlovy Vary udržují i v současnosti. Kromě lázeňských hostů v nich po celý rok potkáte i tisíce turistů, kteří obdivují historické budovy a lázeňské kolonády a ochutnávají zdejší léčivé prameny. Mimořádný počet návštěvníků se do města každoročně sjíždí na začátku letních prázdnin, kdy se tradičně koná jedna z nejstarších filmových přehlídek na světě – Mezinárodní filmový festival Karlovy Vary.