Az UNESCO által a Világörökség részév nyilvánított operát VII. Bourbon Károly (az olaszoknak III. Károly) építtette, hivatalos megnyitója 1737. november 4-én volt Domenico Sarro Achille in Scirio című, Metastasio darabja alapján készült művével. A nyitó estén Sarro két balettintermezzót vezényelt, ennek szerzője Gaetano Grossatesta volt. Korában 3300 férőhelyes nézőterével a San Carlo volt a világ legnagyobb operaháza, amelyet Giovanni Antonio Medrano és Angelo Carasale terveztek az uralkodó által kicsinek és nem elég díszesnek talált Teatro San Bartolomeo helyére.

Az épület 1816. február 12-én leégett, IV. Ferdinánd rendelkezésére azonban tíz hónap alatt újjáépítették, és 1817. január 12-én Johann Simon Mayr darabjával, az Il sogno di Partenopéval ismét megnyitotta kapuit a ház, amely nem hasonlított elődjére. A kisebb, 1444 nézőt befogadó színházat Antonio Niccolini tervezte. Az első felújításra 184-ben került sor, 1872-ben pedig Verdi javaslatára kialakították a zenekari árkot, az elektromos világítást pedig 1890-ben vezették be. 1943-ban bombatalálat érte az épületet, de hat hónapos munkálatok után, 1943. december 16-án újra házmegnyitót tarthattak.

A San Carlo története összekapcsolódik Gioacchino Rossinivel, aki 1815 és 1822 között volt a királyi operák házi zeneszerzője és művészeti vezetője, és ezalatt tíz művet komponált. A korszak legnagyobb énekesei léptek a nápolyi közönség elé: Manuel Garcia, Maria Malibran, Clorinda Corradi, Giuditta Pasta, Isabella Colbran, Giovanni Battista Rubini, Domenico Donzelli, Adolphe Nourrit, Gilbert Duprez.Rossinit Giovanni Pacini, majd Gaetano Donizetti követte, aki 1822 és 1838 között 16 operát írt, köztük a Maria Stuardát (1834), a Lammermoori Luciát (1835) és a Roberto Devereux-t (1837). Vincenzo Bellini első operájának - Bianca e Gernando (1826) - itt volt a premierje. Az 1840-es évektől a Verdi-operák uralták a repertoárt, a 19. század végén, a 20. század elején pedig a verismo hódított Puccini, Pietro Mascagni, Leoncavallo, Giordano, Cilea műveivel.

A San Carlóban nyílt az első olasz balettiskola, és 1816-óta képeznek díszlettervezőket.

A 2007-ben elkezdett felújítás, amelynek egyik legfontosabb momentuma a légkondicionáló beépítése, Elisabetta Fabbri tervei alapján történt.