Vēsture Kārsavas apkaime ir sena latgaļu apdzīvota vieta, par ko liecina Rogu kara kapu pilskalns, kas atrodas netālu no pilsētas uz ziemeļiem; citu pilskalnu tiešā pilsētas tuvumā nav. Arheoloģiskie atradumi Bozovas, Dzērvju, Ruskulovas un citos senkapos sniedz liecības par seno latgaļu amatu prasmēm un par saikni ar citiem novadiem.
Netālu no Malnavas muižas (apmēram 2–3 km uz rietumiem), uz tās īpašnieka Šadurska (poļu Szadurski) atdalītās zemes 18. gs. vidū sāka veidoties Kārsava kā vietējās nozīmes tirdzniecības un amatniecības centrs. Te muižas īpašnieks uzcēla katoļiem dievnamu – Malnavas Rožukroņa Dievmātes baznīcu, kuru sāka būvēt 1741. gadā, bet iesvētīja 1763. gadā. Koka baznīca ir valsts nozīmes aizsargājams arhitektūras piemineklis.
1825. gadā Kārsavai tika piešķirtas miesta tiesības un atļauja rīkot četrus gadatirgus. 1836. gadā līdzās miestam tika uzbūvēta Pēterburgas–Varšavas šoseja. 1852. gadā Kārsavā bija katoļu baznīca, 18 sētas, 3 krogi un 5 tirgotavas. Miesta tālāku attīstību veicināja Pēterburgas–Varšavas dzelzceļa līnijas izbūve no 1859. līdz 1861. gadam. Kārsava atrodas tieši pa vidu starp šīm nozīmīgajām transporta līnijām, kuras šeit atrodas 2,5 km attālumā viena no otras. Šī dzelzceļa līnija ir vecākā Latvijā, un Kārsavas (tolaik Korsovka) stacija, kas atrodas nepilnus 4 km uz ziemeļiem no pilsētas centra Bozovas ciemā, ir vecākā dzelzceļa stacija Latvijas teritorijā. Šeit bija dzelzceļa depo un darbnīcas, vilcieni šeit apstājušies uz 20 minūtēm, lai tvaika lokomotīves uzpildītu ūdeni un malku. Pilsētā esošo dzelzceļa pieturu sauc Malnava (atvērta 1931. gadā, kopš 1999. gada vilcieni Malnavas stacijā nepietur). 1906. gadā Kārsavai miesta tiesības tika atņemtas – toreiz šeit bija 186 ēkas.
Latvijas Neatkarības kara laikā, 1920. gadā 10. janvārī, Latvijas armijas vienības pilnībā nostiprinājās Kārsavā.
1921. gadā nacionalizētajā Malnavas muižā tika atvērta Latgales lauksaimniecības vidusskola, kuru neatkarīgās Latvijas laikā beidza 681 audzēknis. Padomju okupācijas gados skola tika pārveidota par sovhoztehnikumu, bet mūsdienās tā ir Malnavas koledža. Vairāk nekā 100 gadus vērojama cieša un savstarpēji papildinoša mijiedarbība starp Kārsavas pilsētu un līdzās esošo Malnavas ciemu, kas faktiski veido bipolāru apdzīvojuma sistēmu.
1924. gadā Kārsavai tika piešķirtas miesta tiesības, bet 1928. gadā tika piešķirtas pilsētas tiesības. 1935. gadā pilsētā bija 218 dažādi tirdzniecības un 102 rūpniecības uzņēmumi, divas reizes nedēļa notika tirgi un bija seši gadatirgi. Pilsētnieku galvenā nodarbošanās bija tirdzniecība, īpaši linu, amatniecība un lauksaimniecība – 20 % pilsētas teritorijas aizņēma aramzeme. Kā tirdzniecība, tā amatniecība atradās ebreju rokās, kas tolaik veidoja 42 % no pilsētnieku skaita, kamēr latviešu bija 37 %, bet krievu – 15 % un poļu – 5 %.
1936. gadā Kārsavai tika apstiprināti būvnoteikumi, kuros tika noteikts, kā veidot saimniecisko centru, dzīvokļu apbūvi, dārzsaimniecības un rūpniecības objektu izvietojumu. Kārsavā tolaik bija 327 dzīvojamās mājas, no tām sešas bija mūra ēkas un divas divstāvu ēkas. Otrā pasaules kara laikā tik sagrautas aptuveni 80 % pilsētas ēku, tādēļ pilsētā maz saglabājies no tās pirmskara veidola. Jāpiezīmē, ka 1941. gada 21. jūlijā Malnavas muižu, kurā tolaik bija izvietots armijas grupas “Ziemeļi” komandpunkts, apmeklēja Ādolfs Hitlers (Adolf Hitler) – tā bija vienīgā reize, kad Trešā reiha vadonis apmeklēja Latvijas teritoriju.
1950.–1962. gadā Kārsava bija rajona centrs. Pilsētā darbojās dīzeļmotoru remontdarbnīcas, Rēzeknes elektrisko būvinstrumentu rūpnīcas cehs, Rīgas rūpnīcas “Stars” filiāle, sadzīves pakalpojumu kombināta galdniecības, šūšanas un apavu darbnīcas. 1970. gadā Kārsavā darbojās 12 veikali, ēdnīca, maizes ceptuve un sociālās nodrošināšanas pansionāts. Padomju okupācijas gados Kārsavā tika uzceltas divas jaunas vidusskolas ēkas, kultūras nams, slimnīca, poliklīnika un prettuberkulozes dispansers. Bijušā tirgus laukuma vietā tika izveidots skvērs.