U 16. st, radi obrane od turskih osvajača, u međurječju četiriju rijeka - Korane, Kupe, Mrežnice i Dobre - podignut je idealni renesansni grad u obliku šesterokrake zvijezde, podijeljene u 24 pravilna prostorna bloka.

Gradnja karlovačke tvrđave započela je 13. srpnja 1579. na posjedu velikaške obitelji Zrinskih. Tvrđava je pravi biser onodobnog graditeljskog i fortifikacijskog umijeća.

Samo ime Karlovac (Carlstadt) grad je dobio u čast svoga osnivača, austrijskog nadvojvode Karla Habsburškog.

Tijekom 16. i 17. st. tvrđava i vojska upravljaju gradom koji malo po malo mijenja svoje lice. Ugrožavale su ga poplave, pustošili ga požari. U velikom požaru 1594. g. izgorio je cijeli grad. Karlovcem su harale i epidemije kuge, od kojih je najteža bila 1773. g., kada je pomrla gotovo polovica stanovništva.

Turci su ukupno sedam puta opsjedali Karlovac, ali ga nisu uspjeli zauzeti. Posljednja osmanlijska opsada dogodila se 1672.g.

1776. godine kraljica Marija Terezija  daje Karlovcu položaj slobodnog grada.
U 18. st. i u većem dijelu 19. st. Karlovac će postati najvažnijim trgovačkim gradom između Jadranskog mora i Podunavlja. Grade se ceste: Karolinska cesta Karlovac - Rijeka, Jozefinska cesta Karlovac - Senj i Lujzinska cesta Karlovac - Rijeka.

Na samom početku 20. st. Karlovac je prema broju stanovnika i gospodarskom potencijalu bio treći grad u Hrvatskoj.