Do 1945 było stolicą Badenii, następnie znalazło się wraz z jej północną częścią w kraju Wirtembergia-Badenia, zaś w 1952 w Badenii-Wirtembergii.
Po 1801 nastąpiło pierwsze rozszerzenie miasta na południe i wytyczenie nowego rynku. Ekspansja terytorialna Badenii i podniesienie do rangi wielkiego księstwa na początku XIX wieku, a także powstanie od 1844 węzła kolejowego, dały podstawy do szybkiego rozwoju miasta. Zbudowano port rzeczny i pierwszy stały most na Renie. Powstały cztery duże przedmieścia (Oststadt, Südstadt, i ), a dwa sąsiednie miasta zostały przyłączone odgórną decyzją władz rejencji: na zachodzie w 1885 i Durlach na wschodzie w 1939 r. Po reformie administracyjnej w 1972 wchłonięte zostało także miasto Grötzingen. Silny rozwój zabudowy wymusił w 1913 przebudowę linii kolejowych i przeniesienie dworca o około 2 km na południe.
Już w XIX wieku Karlsruhe było znaczącym w Europie ośrodkiem naukowym, swoje pionierskie badania nad falami elektromagnetycznymi prowadził tu Heinrich Hertz. Znany jest też wynalazca prymitywnego roweru oraz drezyny kolejowej Karl Drais Freiherr von Sauerbronn. W 1860 w mieście odbył się zjazd chemików, który na wniosek Stanislao Cannizzaro zatwierdził definicję molekuły.