Die auf das Jahr 1829 zurückgehende Gründung der Gemeinde verdankt diese dem Ziel der Preußischen Regierung, neue Siedlungen für die Fischerei auszuweisen.
Eine solche Siedlung entstand im nordwestlichen Teil der Insel auf Flächen der Staatsforst, die durch Pudagla verwaltet wurde, entlang des Küstenwaldes lag und aus 27 Siedlungsstellen bestehend, zunächst die Bezeichnung "Pudagla II" führte, bevor sie im Jahre 1837 den Namen "Carlshagen" erhielt.
Der Stettiner Regierungsrat Carl von Triest soll wegen seiner Verdienste um die Neuansiedlung bei der Namensgebung Pate gestanden haben.
Die Siedlung entwickelte sich durch Fischfang und Landwirtschaft gut und zählte 1865 bereits 307 Einwohner.
Der fehlenden überörtlichen Infrastruktur ist es geschuldet, dass sich das Badewesen auf der Insel sehr langsam entwickelte.
Mit der Schaffung der Bahnverbindung Berlin - Wolgast und der ersten Straße wurde es möglich, die Gäste aus Wolgast mit dem Fuhrwerk abzuholen.
Der Berliner Architekt Elsner war es, vermutlich von der benachbarten Entwicklung des Seebades Zinnowitz inspiriert, der 1884 ein Logierhaus und die Strandhalle erbaute und so die Geburtsstunde des Seebades 1885 maßgeblich
beeinflusste.
Bis zur Jahrhundertwende entstand nahe der Ostsee eine kleine Villenkolonie mit den ersten Hotels und Pensionen, einem Tennisplatz und einem Warmbad sowie Badehäusern für Damen und Herren.
Der Ort zählte 400 Badegäste per anno.
Um 1900 waren es bereits 1.000 Gäste jährlich, denn mittlerweile war die Straße auch von Trassenheide bis Carlshagen ausgebaut.
Bis zur Preußischen Gebietsreform 1929, mit der Karlshagen den Status einer eigenständigen Verwaltungseinheit erhielt, gab es den Ortsteil der Fischerkolonie nahe der Peene und die neu entstandene Strandkolonie.
Dem anfänglichen Argwohn der Fischer folgte bald die Idee, das Dasein der Badegäste zu nutzen und selbst Quartiere einzurichten.
So registrierte die Badegesellschaftsdirektion 1911 bereits 2.000 Gäste.
Im selben Jahr erhielt Karlshagen zusammen mit Trassenheide den ersten gemeinsamen Bahnhof an der neuen Bahnstrecke Heringsdorf - Wolgaster Fähre.
Nach dem ersten Weltkrieg gelang es nur mühevoll, die vormaligen Gästezahlen zu erreichen.
Ein jähes Ende erfuhr das Badewesen 1936 mit der Entwicklung und dem Bau der Heeresversuchsanstalt.
Am nord-westlichen Rand der Gemeinde entstand eine Wohnanlage für 2.500 Militärangehörige und zivile Beschäftigte. Nachfolgend konfiszierte man die gesamte Strandkolonie mit ihren Villen und Pensionshäusern. Unermessliches Leid
widerfuhr den Bewohnern in der Nacht vom 17. zum 18. August 1943 als in Karlshagen mehr als 2.000 Menschen ihr Leben verloren und eine Vielzahl von Gebäuden und Anlagen sowie die gesamte Strandkolonie zerstört wurde. Eine
Kriegsgräberstätte am Ortseingang erinnert der Opfer von Krieg und Gewalt.
Wegen der schönen Lage, aber dennoch sehr zaghaft, kamen nach Ende des 2. Weltkrieges die ersten Feriengäste, um in Zelten oder recht spartanischen Quartieren Urlaub zu machen.
Eine zielstrebige Neuentwicklung war nicht möglich, da das Militär die Geschichte des Ortes weitere 45 Jahre beeinflussen sollte.
Die strategische Lage sowie Flugplatz, Häfen und technische Infrastruktur bewirkten den Aufbau des Marinestützpunktes in den 50er Jahren in Peenemünde und die Verlegung eines Jagdfliegergeschwaders im Jahre 1961 in den Inselnorden.
Folge war das Sperrgebiet westlich der Ortslage, welches den allgemeinen Zugang durch Schlagbaum und Zäune verhinderte.
Der Schwerpunkt der Ortsentwicklung lag auf der Schaffung von Wohnungen für Militärangehörige und ihre Familien.
Infrastruktur folgte mit zwei Schulen, einer Kita und einer Kaufhalle.
Das Badewesen hatte sich anders als auf dem Rest der Insel entwickelt, denn einen zentralen Feriendienst des FDGB gab es nicht, und die Vermietung von Privatquartieren war staatlich kontingentiert.
So waren es etwa 50 Betriebe des ganzen Landes, die eigene Ferieneinrichtungen und Kinderferienanlagen in der Ortslage aber auch nahe dem Strand errichteten. Entsprechend wuchs die Zahl der Badegäste um 1950, als sie die Anzahl der um 1900 registrierten Gäste (1.000) erreichte, bis 1978 auf fast 30.000 Gäste.
Diese Anzahl der Anreisen, wovon etwa ein Viertel auf den gemeindlichen Campingplatz entfiel, stagnierte bis Ende der 80er Jahre auch wegen der schwierigen Versorgungslage, denn die Zahl der Einwohner hatte sich seit Kriegsende mehr als vervierfacht und betrug über 3.700 Einwohner.
Mit der Wende sank die Zahl der Einwohner wegen der Schließung beider Militärstandorte auf 3.000.
Dass ein weiterer Einwohnerrückgang vermieden werden konnte, ist sicher der Gründung der Mietergenossenschaft, die den gesamten Wohnungsbestand übernahm und sanierte, als auch dem Bau vieler Einfamilienhäuser zu verdanken. Entscheidend war aber wohl die Neuausrichtung der Gemeinde mit der Entwicklung zu einem Seebad, denn auch der größte zivile Arbeitgeber, die am Hafen angesiedelte Fischereiproduktionsgenossenschaft, schaffte den Übergang in die Marktwirtschaft nicht. Der Hafen wird jetzt überwiegend touristisch genutzt. Im aktuellen Schuljahr besuchen 145 Kinder die Grundschule und 196 Schüler die Regionalschule "Heinrich Heine". Etwa 190 Kinder besuchen die Ende 2007 sanierte und erweiterte Kita, für die erneut eine Erweiterung geplant ist. Für die über 1.334 Senioren existiert die Begegnungsstätte "Kiek in" und für die Jugendlichen das Jugend- und Vereinshaus in der Hafenstraße und das neue Vereinsgebäude des FSV Karlshagen am Sportplatz.
Seit 2001 trägt die Gemeinde wieder den Titel staatlich anerkanntes Seebad, verfügt über eine gute, sich weiter entwickelnde Infrastruktur, 3.184 Einwohner und 579.738 Übernachtungen bei registrierten 3.657 Betten (davon 111.642 Übernachtungen auf den 340 Stellplätzen des Campingplatzes).
Eine freundschaftliche Partnerschaft verbindet Karlshagen mit der Gemeinde Mildstedt im Landkreis Nordfriesland.