W IV wieku p.n.e., w pobliżu starożytnej trackiej stolicy Seutopolis i niedaleko miasta, zbudowano wspaniały tracki grobowiec. Składający się z kopułowej, ceglanej konstrukcji w kształcie "ula" (tholos), zawiera między innymi malowidła przedstawiające tracką parę podczas rytualnej uczty pogrzebowej. Grobowiec został wpisany na listę światowego dziedzictwa UNESCO w 1979 roku.
W średniowieczu dolina stała się centrum administracyjnym regionu Krun, gdzie rządził bułgarski bojar Aldimir (Eltimir). Po 1370 roku Kazanłyk znalazł się pod panowaniem osmańskim. Współczesna nazwa miasta pochodzi od tureckiego Kazanlık.
Współczesne miasto powstało na początku XV wieku jako twierdza wojskowa mająca chronić przełęcz Szipka, a później rozwinęło się jako miasto rzemieślników. Rozwinęło się ponad 50 rodzajów rzemiosł, takich jak garbarstwo, kotlarstwo, złotnictwo, tkactwo materiałów wełnianych, szewstwo, bednarstwo oraz uprawa róż. Olejodajna róża, sprowadzona z Azji Środkowej przez Persję, Syrię i Turcję, znalazła tutaj idealne warunki do rozwoju – odpowiednią temperaturę, wysoką wilgotność oraz lekkie gleby. Olejek różany z Kazanłyku zdobywał złote medale na wystawach światowych w Paryżu, Londynie, Filadelfii, Antwerpii, Laet i Mediolanie.