Територията на днешния град е обитавана от най-дълбока древност. За това свидетелстват Карнобатската селищна могила и римската крепост Маркела (Крумово кале, Хисарлъка), край която през VIII век кан Кардам удържал бляскава победа над византийците. Оттогава селището е българско. Под турско владичество пада през 1371 г. В дубровнишки документ от 1595 г. е отбелязано като Караново, както всъщност са го наричали българите. През 1762 г. дубровничанинът Божкович за първи път го споменава със сегашното му име Карнобат. По това време градът е бил важен овцевъден център, известен с местната порода карнобатска овца. 

Произвеждали се големи количества месо, вълна, пастърма, луканка, свещи, сапун. Прочут бил двуседмичният панаир за добитък. След руско-турските войни от първата половина на XIX век много жители на града се изселват в Бесарабия. През 1862 г. е открито класно училище, известно като Карановско. През Освободителната руско-турска война (1877 - 1878) Карнобат силно пострадал, но впоследствие, благодарение на богатия селскостопански район, традициите в животновъдството и винопроизводството, както и жп линията София-Бургас, започва да се развива. От 1953 до 1962 г. се нарича Поляновград, след което отново му връщат днешното име. Родно място е на македоно-одринския революционер Слав Мерджанов.

Къща музей “Димитър Полянов” е създадена през 1970 година. Открита е за посещения на 23 ноември 1973 година. Притежава фонд, съдържащ ръкописи, рисунки, документи, снимки, книги, списания, вестници, вещи на писателя, предмети от бита на семейството му, както и материали от и за карнобатски културно-просветни дейци. В залата на музея се провеждат научни конференции, творчески срещи, презентации, тематични вечери, дискусии, викторини, конкурси, изложби и др.

Часовниковата кула, част от архитектурния ансамбъл в старинната част на града, е израз на икономическия просперитет на Възрожденския Карнобат.

Църквата “Св. Йоан Богослов” е издигната върху мястото на изгорената от турците.