Současné geologické podmínky
v karlovarské kotlině vznikly ve třetihorách. Několik tisíc metrů pod povrchem se hromadilo v trhlinách prvohorních žulových hornin ohromné množství vody. Vodu ohřívála horká láva. Oxid uhličitý, který vzniknul v nitru Země díky sopečné činnosti, prosytil vodu a vyhnal ji na povrch, kde tryskála vysoko jako gejzír Vřídlo. Tryskající horká voda obsahuje velké množství minerálních látek, které se na chladném vzduchu srážejí a vzniká tak tzv. vřídelní kámen, jediný svého druhu na světě.

Prvními osídlenci Karlovarska byli Slované. Založili osady kolem řeky Ohře podél které vedla cesta spojující Chebsko a Žatecko: Bohatice, Božíčany, Dalovice, Drahovice, Ostrov, Sedlec, Stará Role, Svatava, Všeborovice. Kolem roku 1230 se správní středisko přestěhovalo z dřevěného Sedlce do gotického kamenného hradu Loket. Za vlády krále Přemysla Otakara II. se rozvíjí dolování rud - cín, olovo a měď. Přicházejí horníci ze sousedního Saska a usidlují se v horních městech: Nejdek, Krásno, Horní Slavkov. Pověst o objevení Vřídla Karlem IV.Na území dnešních Karlových Var se rozkládala obora, náležející k hradu Loket. Jednou,kolem roku 1350, si sem vyjel se svou družinou na lov král Karel IV. Štěstí jim nepřálo, celý den se jim zvěř vyhýbala. Unaveni a zklamáni se vraceli k hradu, když tu se zčistajasna před nimi objevil statný jelen. Únava byla pryč a začala štvanice. Lovci zahnali jelena až na vrchol příkrého skalního útesu. Statečný jelen se vrhl před svými pronásledovateli do propasti. Poté co lovci sestoupili do údolí, nenašli ke svému údivu jelena, ale horký pramen tryskající ze země. Loketský purkrabí vysvětlil králi, že jde o léčivé prameny, nazývané Vary. Král Karel IV. na to prohlásil, že zde založí město, jež ponese jeho jméno a bude mít všechny výsady, aby pomáhalo léčit nemocné. Skála, ze které skočil jelen, který jej dovedl k pramenům, se od té doby nazývá Jelení skok.

 
    Roku 1358 dal vybudovat císař lovecký hrádek v místech dnešního  Tržiště. Ten v roce 1604 při požáru města vyhořel. Na jeho místě stojí dodnes Zámecká věž. Karel IV. si uvědomoval význam nově založeného lázeňského města - udělil jeho obyvatelům měšťanská práva zbavující je poddanských povinností. Sám Karel IV. rád navštěvoval své město a léčil si zde své neduhy a poranění. Za vlády Václava IV. se město dále rozvíjelo. Bylo mu uděleno právo azylu, které zakazovalo uvnitř města stíhat zločince a umožňovalo přijmout za měšťany i poddané. Šlechta ani města nesměla proti Varům vojensky vystupovat, město tak dostalo statut otevřeného města bez opevnění.

    Známost Karlových Varů jako lázní proniká v druhé polovině 15.století i za hranice země. Jsou uvedeny v knize o lázních, vydané Hansem Foltzem v Norimberku roku 1840 jako jediné lázně v Čechách. Už 15. století navštívily Karlovy Vary některé významné osobnosti: husitský hejtman Jakoubek z Vřesovic, markraběnka z Kulmbachu, Hynek Krušina ze Švamberka, Matěj Šlik. V 16. století dochází k velkému rozmachu těžby stříbra na Karlovarsku a Jáchymovsku, díky němuž bohatli Rabštejnové a Šlikové, kteří měli mincovní právo.

    Karlovy Vary měly i v renesanci ráz pozdně gotického města. Požár roku 1604 zničil město do základů, takže muselo být postaveno celé znovu. Podobu nám však zachovala nejstarší grafická veduta města. Lázeňské město bylo semknuté  kolem dvou náměstí  po obou březích řeky teplé. Z Vřídla se dřevěnými koryty sváděla voda do dvě stě koupelí v lázeňských domech, kterých bylo asi čtyřicet. Obyvatelé horké vody využívali i jinak: hospodyně v ní praly prádlo a pařily husy, kachny a prasata. Tento zvyk byl městskou radou zakázán až v druhé polovině 19.století.
    Renesance uvedla Karlovy Vary do literatury. Kolem roku 1500 napsal český humanista Bohuslav Hasištejnský z Lobkovic latinskou Ódu na karlovarské Vřídlo, která byla v 19. století přeložena do čtyřiadvaceti jazyků. Po Bohuslavu Hasištejnském opěvovali Vřídlo další humanističtí básníci: Caspar Bruschius (1518-1557), Matouš Collinus-Kolín z Chotěřiny (1516-1566), Elias Corvius-Raab (1537-1602) aj.

    Kromě básnických děl se v literatuře objevují i traktáty o městě a lázních napsané lékaři, umožňující nám poznat léčebné praktiky a lázeňský život 16. století. Svou pokrokovostí nás překvapí latinské pojednání loketského lékaře Václava Payera z roku 1522. Do té doby se léčilo pouze několika hodinovými koupelemi, dokud se kůže nerozleptala a jejími trhlinami neodešly škodlivé látky. Payer doporučoval kromě koupelí také pitnou kúru. Doporučoval jeden až čtyři džbánky denně a nedlouhou dobu koupelí, jak je tomu v podstatě dnes.
    V létě roku 1604 zničil požár celé město, které bylo vystavěno ze dřeva. Oheň zničil i kostel Maří Magdalény a radnici s městským archívem. Karlovy Vary se však brzy vzpamatovaly. Místo dřevěných budov byly postaveny kamenné domy, které byly bezpečnější  a výstavnější. Císař Rudolf II. roku 1609 odpouští městu všechny daně na pět let.
    Třicetiletá válka, která byla pro celou střední Evropu pohromou, výrazněji neovlivnila prosperitu lázeňského města. Přesto, že se karlovarští hlásili k luteránům a účastnili se stavovského povstání proti Ferdinandu II. nebyli potrestáni. Císař se obával aby zásahem do hospodářských poměrů města neohrozil příjmy do královské komory.
Roku 1623 vydal městu zvláštní privilegium (Salva guardia), jež osvobozovalo město od povinnosti ubytovat vojsko. Když Karlovarští v roce 1627 na výzvu Ferdinanda II. nepřestoupili na katolickou víru, císař jim konfiskoval městské statky. Měšťané měli možnost dvojí volby: buď víru nebo majetek a moc. Poměrně rychle se rozhodli pro katolickou víru a již v roce 1628  jim byla císařem navrácena privilegia a zabavený majetek. Z města byl vypovězen pro svou víru doktor Štěpán Strobelberger, který jako první ordinoval vřídelní sůl.

    V roce 1630 navštívil Karlovy Vary Albrecht z Valdštejna se svým dvorem. Přijel s padesáti šestispřežními kočáry, čtyřiceti čtyřspřežními vozy pro kuchyňský personál a deseti šestispřežními vozy pro služebnictvo, se sedmi sty koňmi a padesáti podkoními. Doprovod čítal devět set osob. Městská rada vydala nařízení na zkrášlení města již dva měsíce předem: opravit poškozené domy, vyčistit stoky a kanály, odstranit hnojiště z náměstí  a ulic, během pobytu panstva se obyvatelé nesměli opíjet a psi museli zůstat uvázáni.
    V období vrcholného baroka  na začátku 18.století dostávají Karlovy Vary světový ráz. Jsou vyhledávaným společenským střediskem aristokracie z Rakouska, Německa, Polska i  Ruska. Díky hygienickým opatřením se jim vyhýbají epidemie. Proto se sem uchylovaly šlechtické rodiny z Prahy. Morový sloup na Tržišti dala postavit hraběnka z Vrtby jako dík, že město roku 1713 nezasáhla černá smrt.

    V roce 1732 byl položen základní kámen ke stavbě barokního kostela Maří Magdalény podle projektu předního pražského architekta Kiliána Ignáce Dienzenhofera. Tento chrám patří k význačným dílům české architektury vrcholného baroka.
 Mezi význačnými lázeňskými hosty této doby nalezneme kromě členů rakouské císařské rodiny, pruského i polského krále,  a příslušníků nejvýznačnějších šlechtických rodů i  slavné představitele tehdejšího politického  a uměleckého života. Velmi populární osobností v této době byl ruský car Petr Veliký, který tu pobýval v letech 1711-12.
    Rozvoj lázeňského města narušil v roce 1759 ničivý požár, který vznikl na Tržišti v domě u Tří mouřenínů. Za oběť ohni padlo 224 domů včetně radnice a městské věže. Avšak i s touto pohromou se dokázali karlovarští vyrovnat a za pomoci příspěvků, darů a sbírek postavili nové lázeňské město, které dostává pozdně barokní ráz. Podle záznamů z roku 1764 přijíždělo kolem 250 hostů ročně nepočítaje jejich doprovod.
    O změnu léčby se v této době zasloužil karlovarský rodák lékař David Becher. Dokázal prakticky stejné složení všech pramenů, které se navzájem liší jen teplotou a obsahem kysličníku uhličitého. Doporučoval pití jen malých dávek vřídelní vody a to přímo u pramene, kde je voda nejvíce nasycena kysličníkem uhličitým. Dosáhl zrušení zákazu vývozu vřídelní soli, tím vzrostl výnos z jejího prodeje natolik, že zabezpečil provoz divadla. Nové způsoby léčby vyžadovaly stavbu krytých sálů a kolonád a budování vycházkových cest v okolí města.
    Johann Wolfgang Goethe pobýval v Karlových Varech v letech 1785 - 1823 třináctkrát. O Karlových Varech prohlásil -vedle Výmaru a Říma- za místo, kde by chtěl nejraději žít. Jeho poslední návštěva je spojená s láskou k devatenáctileté dívce  Ulrice von Levetzow, se kterou sem přijel. Poté, co jej Ulrika odmítla, 5.září 1823 Goethe opouští Vary, aby se sem víckrát nevrátil.
    Několik týdnů  v roce 1791 zde pobyl velký německý romantik Friedrich Schiller. Vyhledal zde společnost rakouských generálů, aby se vcítil do jejich psychologie, neboť začínal psát svou Valdštejnskou trilogii. V roce 1812 zajel z Teplic na návštěvu Karlových Var Ludwig van Beethoven a uspořádal zde koncert. Z dalších významných osobností můžeme jmenovat polského básníka Adama Mickiewicze, Frederyka Chopina,Carl Maria von Weber. Své koncerty tu odehráli houslista Josef Slavík, Niccolo Paganini.
    Rytíř Jean de Carro (1770-1857) přijel do lázní v roce 1826 a již se zde usadil po úspěšném vyléčení dny a stal se lázeňským lékařem. Uplatňoval nejmodernější lékařské metody, vyhledávali jej pacienti z řad vysoké šlechty a diplometé.
 Světové lázně navštěvovali také přední osobnosti českého  národního obrození: J.Dobrovský, J.Kollár, J.Jungmann, F.L.Čelakovský, J.K.Tyl.
    Po roce 1848 dosáhli karlovarští měšťané, díky své loajálnosti při potlačení revolučního hnutí, schválení lázeňského statutu města s tím, že měli dokonce i právo volně disponovat výnosem z lázeňské taxy. Tím se zároveň zasloužili i o největší rozmach karlovarských lázní. Počet návštěvníků rostl každým rokem několikanásobně a před první světovou válkou přesáhl dokonce počet 71 000 návštěvníků. V té době se také postavilo nejvíce nových penziónů a hostinců a dalších zařízení jako lázně, sanatoria, kolonády a dokonce divadlo.
    V druhé polovině 19. století lázně navštívilo mnoho významných osobností té doby, např. řecký král Ota I., kterému karlovarští postavili žulový sloup, a zahraniční bohatá smetánka, především z Německa, Rakouska a Ruska. V Karlových Varech se odehrály i důležitá politická setkání, např. prusko-ruská diplomatická jednání před prusko-rakouskou válkou.

    Koncem 19. století městská rada získala tehdy moderního architekta Josefa Zítka, který díky svému vítěznému projektu Národního divadla v Praze se stal nejuznávanějším architektem nové generace, k tomu, aby navrhl monumentální moderní kolonádu nad Rusalčiným a Mlýnským pramenem. Na základě jeho projektu byla postavena stavba umělecky a architektonicky důmyslně propracovaná, jejíž dominantou je 100 žulových korintských sloupů. Dokonalé je i zasazení kolonády do terénu.
    V posledních desetiletích 19. století a počátkem 20. století byli k budování Karlových Varů vyzváni architekti z Vídně Ferdinand Fellner a Hermann Helmer. Jejich společným dílem byly předchozí Vřídelní kolonáda, kolonáda Sadového pramene s dnes už neexistujícím Hudebním pavilónem v Dvořákových sadech. K jejich nejlepším dílům patří karlovarská budova divadla, na jejíž výzdobě se podíleli bratři Gustav a Ernst Klimt a Franz Matsch. Nejpřepychovější a nejreprezentativnější budovy v K.Varech byly Lázně I. nazývané Císařské I. také z dílny Fellner a Helmer. Přepychové historické interiéry dodnes udržované v původním stavu se nacházejí v tzv. císařském apartmá, ke kterému patří předsíň, salón a koupelna. 
    F.Fellner a H.Helmer jsou také autoři konečné podoby Grandhotelu Pupp, který se tehdy stal jedním z nejproslulejších hotelů střední Evropy. Jádrem celého areálu hotelu je slavnostní sál s bohatou štukovou výzdobou, s galerií a  jevištěm.
    Secesi přijali karlovarští trochu rozpačitě. Teprve v druhé polovině 90. let 19. století se začaly objevovat secesní motivy na prvních lázeňských domech. Stylovou ryzostí vyniká pouze dům Zawojski na Tržišti.
    V roce 1898 byl postaven v Sadové ulici z příspěvků ruských lázeňských hostů pravoslavný chrám, který vychází z podoby chrámu Krista Spasitele v Moskvě a Vasilevské baziliky v Moskvě.
    V roce 1912 byl projektován tehdy největší lázeňský hotel Imperiál, který působí jako mohutný středověký hrad a tvoří tak impozantní dominantu celého karlovarského údolí.
    Počátkem našeho století, aby byly splněny vysoké nároky lázeňských hostů a zachováno exkluzivní prostředí, byly vytvořeny podmínky pro pěstování moderních sportů jako golf, tenis, dostihy, šerm a letectví.
    Karlovy Vary navštívili koncem 19. století také přední světoví umělci a vědci jako spisovatelé N.V.Gogol, A.Tolstoj, I.S. Turgeněv, skladatelé Johannes Brahms, P.I.Čajkovskij, A.Dvořák, Z.Fibich, geolog Joachim Barrande a Heinrich Schliemann, objevitel Tróje, J.E.Purkyně a další.
    Významnou osobností, která se zasloužila o proslulost a slávu karlovarských lázní, byl také úspěšný podnikatel Heinrich Mattoni. Z lázní Kyselka vytvořil uznávané lázně a Mattoniho kyselka se stala nejpopulárnější minerálkou v celém Rakousku a vyhledávanou v celém světě.
    Další podnikatelskou osobností byl Ludvík Moser, který ve Dvorech založil roku 1892 sklářskou huť, jejíž značka si získala světovou proslulost.