Il teatro sorge addossato al lato Nord del Palazzo Reale, col quale è comunicante mediante una porta che si apre proprio alle spalle del Palco Reale, in modo che il Re potesse recarsi agli spettacoli senza dover scendere in strada. Fu inaugurato nel 1737 per volontà di Carlo I di Borbone, con l'opera Achille in Sciro di Metastasio, con musica di Domenico Sarro, direttore d’orchestra e dei tre balli creati da Gaetano Grossatesta, mentre le scene sono di Pietro Righini.
Come era usanza dell'epoca, Achille è interpretato da una donna, Vittoria Tesi, detta «la Moretta», con accanto la prima donna soprano Anna Peruzzi, detta «la Parrucchierina» e il tenore Angelo Amorevoli.

A Domenico Sarro vennero pagati, con apposita polizza emessa nel Dicembre del 1737, 220 ducati «in soddisfazione della composizione del prologo ed opera in musica intitolata Achille in Sciro che si è rappresentata nel Teatro Reale di San Carlo il dì 4 Novembre prossimo passato».

Per eventi particolari, l'intera sala poteva essere trasformata con strutture e decorazioni provvisorie: nel 1747 ad esempio, in occasione della nascita del primogenito reale, Vincenzo Re organizza in teatro la «Gran Festa da Ballo».

Nel 1767 Ferdinando Fuga esegue gli interventi di rinnovamento in occasione del matrimonio di Ferdinando IV con Maria Carolina.

Fu ricostruito su progetto dello stesso Antonio Niccolini, dopo un incendio che lo distrusse nella notte del 13 febbraio 1816.

Dopo la ricostruzione su progetto di Antonio Niccolini, in seguito all’incendio del febbraio 1816, fu inaugurata la nuova sala il 12 gennaio 1817, con la cantata Il sogno di Partenope di Giovanni Simone Mayr, già presente al San Carlo con altri lavori, tra cui Medea in Corinto (28 novembre 1813. La presenza di Mayr, come quella di Rossini, si doveva essenzialmente al lombardo Domenico Barbaja, il più grande impresario d'Italia e forse d'Europa

Dal 1815 al 1822, il direttore musicale del teatro fu Gioachino Rossini che, in quel periodo, visse una delle sue stagioni più importanti e prolifiche. Successivamente l'incarico fu attribuito, tra gli altri, a Gaetano Donizetti, direttore artistico dal 1822 al 1838, che tra il 1823 e il 1844 vi presentò ben 16 opere in prima esecuzione.

Il Teatro di San Carlo, accanto alle puntuali riprese del grande repertorio melodrammatico e alla riproposta di capolavori dimenticati dell'Ottocento, ha anche svolto negli ultimi anni un'intensa attività tesa al recupero dell'opera buffa settecentesca di scuola napoletana, anche con la collaborazione del Maestro Roberto De Simone.