Театр был построен по приказу короля Карла III для замены обветшавшего театра «Сан-Бартоломео» (1621). Новый театр возводил в 1737 году архитектор и военный инженер Дж. А. Медрано. Театр был открыт 4 ноября 1737 года постановкой оперы неаполитанского композитора Доменико Сарро на либретто Пьетро Метастазио «Ахилл на Скиросе».
В XVIII веке «Сан-Карло» был самым большим театром Европы (3285 мест)[4]. 13 февраля 1816 года в театре случился пожар. Здание восстанавливал архитектор Антонио Никколини, впоследствии[уточнить] занявший пост театрального художника «Сан-Карло». Здание подвергалось обновлению в 1845 и 1854 годах, а также после бомбардировок 1943 года. В результате реконструкций XIX и XX веков его масштабы сильно уменьшились. В настоящее время театр вмещает 1386 зрителей[5].
Вот и великий день открытия «Сан-Карло»: всеобщее безумство, толпы народа, ослепительный блеск зала. Приходится основательно поработать кулаками и локтями. Я дал себе слово не выходить из себя и сдержал его, но потерял обе фалды фрака… Решительно можно сказать, что для неаполитанцев «Сан-Карло» — это кровное дело: здесь обретает прибежище национальная гордость…
В начале 1890-х годов, когда в театре Сонцоньо[итал.] «Меркаданте» был организован сезон с участием Франческо Таманьо и других звёзд, «Сан-Карло» был вынужден закрыться, так как спектакли проходили при полупустом зале.
В 2011 году при театре был открыт музей и архив исторических документов «Мемус».
В 2021 году директором балетной труппы стала французская балерина и педагог Клотильд Вайер.