Sa svojih 219 godina postojanja, Karlovačka gimnazija je najstarija gimnazija u Srbiji. Kada je prvog novembra 1792. počela sa radom, imala je ukupno tri profesora i isto toliko razreda, od kojih je jedan bio pripremni. S obzirom na tadašnje uslove, podrazumevalo se da je isključivo muška škola, a da se nastava odvija na latinskom jeziku. Tokom decenija, Karlovačka gimnazija je menjala svoj profil, promenila je čak i zgradu, a od pre dve godine posebnim ukazom Vlade Srbije proglašena je školom od nacionalnog značaja za Republiku, imajući u vidu njenu tradiciju i uspeh učenika. Ovu čast dobile su samo još Matematička i Filološka gimnazija u Beogradu.

U XVIII i XIX veku Sremski sa Karlovačkom Mitropolijom predstavljali su duhovno i političko uporište Srba u Habzburškoj monarhiji.

U poslednjoj deceniji XVIII veka okolnosti su išle naruku osnivanju ove gimnazije. Ugledni karlovački trgovac i zanatlija Dimitrije Anastasijević Sabov dao je tadašnjem mitropolitu Stefanu Stratimiroviću određenu sumu novca da je upotrebi "na dobro" srpskog naroda, kako misli da je najpametnije. Na inicijativu mitropolita Stratimirovića, uključuju se i drugi građani i tako je prikupljeno dovoljno materijalnih sredstava. Takođe, novi car Leopold II pokazuje mnogo veću predusretljivost prema srpskom narodu na ovim prostorima u odnosu na svoje prethodnike i daje dozvolu mitropolitu da se osnuje gimnazija. Do tada, austrijski carevi nisu imali blagonaklon stav prema ovakvim težnjama. (Zanimljivo je pomenuti da je car Leopold II, koji je važio za vrlo liberalnog, iznenada umro 1792, tako da je na habzburškom prestolu proveo napune dve godine.)

Samo osnivanje Karlovačke gimnazije nadzirala je Ilirska dvorska kancelarija. Primenjivao se nastavni plan koji je bio važeći za škole u Ugarskoj tako da su njeni učenici mogli da nastave se obrazovanjem u Austriji i Ugarskoj.

Nastava na srpskom jeziku počinje da se odvija od 1852. godine, a u tom trenutku su, pored do tada nastavnih latinskog i nemačkog, đaci učili i grčki i mađarski jezik. Osim toga, učenici su imali časove istorije, geografije, etike, logike, prirodnih nauka.

U prvoj polovini XIX veka Karlovačka gimnazija je imala šest razreda, pa su učenike pete godine zvali retorima, a šeste poetama, zbog časova retorike i "nauke o stihotvorstvu" koje su dobijali u tim razredima.

Do 1921. godine Karlovačka gimnazija je bila pod patronatom Srpske pravoslavne crkve, a od tada postaje državna realna škola.

Mitropolit Stratimirović je doveo prvog direktora, Andriju Grosa, Slovaka koji je doktorirao u Jeni. Nekoliko direktora koji su došli posle njega takođe su bili slovačke nacionalnosti. Jedina žena koja je sedela u direktorskoj fotelji bila je Nevenka Dobrnjovska, čiji je direktorski staž trajao 12 godina.

Kada je Vukov pravopis zvanično uveden, tadašnji patrijarh Josif Rajačić zabranio je da se on upotrebljava u Karlovačkoj gimnaziji. Međutim, četiri godine kasnije na insistiranje pojedinih profesora, 1872. Vukovim pravopisom bio je napisan program Velike gimnazije Karlovačke. Zalaganjem patrijarha Rajačića, od 1860. godine Sveti Sava će se proslavljati kao školska slava.

Od 1873. gimnazija u Sremskim Karlovcima dobija i pravo da se u njoj polaže ispit zrelosti.

Disciplina je bila stroga, pa su u kaznene mere spadale batine, školski zatvor i isključenje.

Kako navode neki izvori, smatralo se da je nepristojno pogledati nastavnika u oči, a đacima je bio zabranjen boravak u ženskom društvu i prisustvo na balovima. Od 1907. godine nastavu su mogle da prate i devojke, ali u početku uslov je bio da su iz Sremskih Karlovaca. Razlog je veoma predvidiv – da bi roditelji uvek mogli da ih kontrolišu. U okviru ove škole postojali su "Blagodjejanije", što je bio internat za siromašne učenike, i Konvikt za decu bogatijih roditelja.

Prvih sto godina Karlovačka gimnazija se nalazila u zgradi nekadašnje Latinske škole koju je osnovao mitropolit Pavle Nenadović, osnivač klirikalno narodnog fonda iz kog su se izdvajala znatna sredstva za prosvetne potrebe. Međutim, smrću mitropolita Nenadovića gasi se Latinska škola, zajedno sa skoro svim školama koje su u to vreme postojale u Sremskim Karlovcima. U tom objektu, prizemnoj i niskoj kući, nalazili su se i učionice i stanovi za nastavnike i učenike. Tokom prvog veka svog postojanja tu je bila smeštena Karlovačka gimnazija. No, 1892. godine podignuta je zgrada u kojoj se i danas nalazi ova obrazovna ustanova. Napravljena je prema projektu budimskog arhitekte Đule Partoša, a zahvaljujući sredstvima patrijarha Germana i njegovog brata prote Stevana Anđelića. Oni su u tu svrhu dali 162.500 forinti. Podignuta je po ugledu na srpske crkve i manastire, a u početku je ujedno služila i kao Patrijaršijski dvor. Kada je izgrađena krajem devetnaestog veka, smatrana je jednom od najlepših srpskih zgrada u Vojvodini.

U klupama Karlovačke gimnazije sedeli su između ostalih Dimitrije Davidović, Sima Milutinović Sarajlija, Jovan Sterija Popović, Branko Radičević, Josif Rajačić, Vasa Stajić, Borislav Mihajlović Mihiz, Vida Ognjenović. Pokušao je da se upiše i Vuk Stefanović Karadžić, ali je sa svojih 19 godina bio prestar.

U jednoj izjavi, uz opasku da nisu svi đaci bili dobri i mirni, ali se rado sećaju Gimnazije, sadašnji direktor Rade Zejak spomenuo je da je i Đorđe Balašević tu završio treći razred.

Sredinom šezdesetih godina XX veka osnivaju se osmogodišnje osnovne škole, pa tako Karlovačka gimnazija postaje četvorogodišnja. Od školske 1990/91. godine ona je jezička gimnazija u kojoj postoje dva smera, klasični i savremeni, živi jezici. Ima oko 500, a svake godine upiše se novih 140 đaka koji polažu prijemni iz srpskog i nekog stranog jezika. Pored klasičnih i engleskog, imaju mogućnosti da uče nemački, francuski, italijanski, španski, ruski. Kao i kod ostalih gimnazija tog tipa, veći broj učenika čine devojke. Đaci dolaze iz pedesetak opština iz Srbije i Republike Srpske. U okviru škole, postoje hor, glumačka sekcija, a i redovno izlazi list "Branko" koji uređuju učenici.

Karlovačka gimnazija je urađena muzejski. U njoj su se snimali kultni filmovi kao što su Balkan ekspres, Varljivo leto, a verovatno da je mlađe generacije najbolje pamte po scenama iz filma Lajanje na zvezde.

Nekima je ostala vrlo upečatljiva i jedna skorija scena koja se odvija u prostorijama ove zgrade. Naime, pre dve godine, u svečanoj sali ove gimnazije Jelena Karleuša je snimila spot za svoju pesmu Tihi ubica (o čemu je "Vreme" već pisalo). Poluobnažena pevačica je smestila krevet sa crvenom posteljinom u salu i meškoljila se, za potrebe spota, (ne)obučena u crni čipkani veš dok se u pozadini vide oslikani zidovi najstarije gimnazije. Javnost, bar jedan deo, se sablaznila, a profesori i učenici ove škole su pisali peticiju govoreći da ih je prvi put sramota što su vezani za Karlovačku gimnaziju. Drugi deo javnosti smatrao je da je tolika sablažnjenost izraz lažnog morala. A verovatno da je nemali broj onih kojima se spot dopao.

Direktor Rade Zejak, inače profesor muzike, tvrdio je da nikada ne bi dao odobrenje za tako nešto i da je sve urađeno, u noći uoči Svetog Nikole, dok je on bio na službenom putu. U anketi koju je tada sproveo jedan beogradski dnevni list profesorka ove Gimnazije kazala je da joj je drago što se u kadrovima ipak ne vidi bista mitropolita Stefana Stratimirovića.

Biblioteka Karlovačke gimnazije najstarija je školska biblioteka u Srbiji. Ima jednako dugu tradiciju kao i škola i poseduje oko 18.000 naslova. Od vrednih knjiga, tamo se nalaze fototipsko izdanje "Miroslavljevog jevanđelja", "Četvorojevanđelje" iz 16. veka, "Služabnik" Vićenca Vukovića iz 1554. godine, zatim prva izdanja Dositeja Obradovića, Branka Radičevića, Vuka Karadžića i mnoge druge.