Die Stadt wurde am 1. Juni 1533 durch Pedro de Heredia gegründet. Sie gilt als eine der ersten spanischen Stadtgründungen im Norden Südamerikas und erfuhr ein schnelles Wachstum als wichtiger Hafen für die Schifffahrt des Kontinents. Die spanische Flotte lief zwei Mal jährlich von Sevilla bzw. Cádiz aus kommend Cartagena an, um hier die spanischen Fertigprodukte, wie Waffen, Rüstungen, Werkzeug, Textilien, Pferde zu löschen und Gold, Silber, Perlen und Edelsteine zu laden, bevor sie nach Puerto Bello und Santo Domingo auslief.
Auch die niederländischen und englischen Sklavenschiffe, soweit sie überhaupt in spanische Häfen in Amerika einlaufen durften, mussten nach Cartagena. Aus diesem Grund wurde Cartagena häufig von Piraten attackiert und geplündert, beispielsweise 1585 durch Sir Francis Drake und 1697 von französischen Piraten. Nach seinem Einfall Drakes befestigten die Bewohner die Stadt durch einem 11 km langen Schutzwall und die riesige Wehranlage San Felipe. Die Einfahrt in die Bucht säumten fortan zwei Forts, San José und San Fernando, die nur schwer zu überwinden waren.
Auch die Kirchen in der Stadt gleichen Wehrbauten. 1575 bis 1585 wurde an der Kathedrale gebaut, 1570 bis 1612 wurde das Kloster Santo Domingo errichtet; im 17. Jahrhundert kam das Jesuitenkloster La Compania hinzu. Schon 1610 wurde die spanische Inquisition auch in Cartagena eingeführt, die 1770 einen eigenen Palast bezog und hier eine mächtige Rolle spielte. Cartagena wurde als die Perle von Las Indias bezeichnet, galt nach einem Überfall englischer Piraten 1741, gegen den sich Cartagena behaupten konnte, zeitweilig als uneinnehmbar und als das Beispiel spanischer Militärarchitektur.
Die gelagerten Schätze, die nach Spanien transportiert werden sollten, und die stetig ankommenden und abfahrenden Schiffe machten die Hafenstadt aber auch sehr schnell zu einem bevorzugten Ziel von Freibeutern und Piraten. Der, am 13. März 1740 begonnene, größte Angriff der Geschichte Cartagenas musste drei Monate später abgebrochen werden, da keine Aussichten mehr auf Sieg bestanden und die Flotte Vernons. von Gelbsucht und Malaria zermürbt war. Heute wird hauptsächlich Öl, Kaffee und Platin exportiert und die Stadt hat sich als eine der schönsten Kolonialstädte Südamerikas behauptet. Bei einem Besuch sollte man nicht auf die Besichtigung einiger kultureller Höhepunkte verzichten. Es wurde also, mit Hilfe von Sklaven aus Afrika, ein mächtiger Schutzwall und insgesamt 29 Forts errichtet. Nach der Kriegserklärung Englands an Spanien wurde Admiral Vernon mit einer Streitmacht von 186 Schiffen und 18000 Mann geschickt um Cartagena einzunehmen.
Der Jesuit Pedro Claver beschränkte im 17. Jahrhundert seine Hilfe für die zahllosen schwarzen Sklaven, die hier versteigert wurden, nicht auf Massentaufen, sondern bemühte sich in tätiger Nächstenliebe als Arzt um die Verbesserung der menschenunwürdigen Bedingungen, unter denen sie zu leiden hatten und wurde dafür von der Katholischen Kirche Heilig gesprochen. Am 31. März 1741 wurde hier im Zuge des War of Jenkins' Ear die Schlacht von Cartagena zwischen der englischen Armada mit 186 Schiffen unter dem Kommando des englischen Admirals Edward Vernon und den Verteidigern Cartagenas unter Don Blas de Lezo ausgetragen.
Im November 1811 erklärte der Befreier Südamerikas Símon Bolívar unter dem Eindruck der französischen Revolution und der napoleonischen Besatzung des Mutterlandes die Unabhängigkeit auch für Cartagena und das Ende der Inquisition. Doch die Spanier wollten ihre Kolonien nicht so widerspruchslos ziehen lassen: Im Dezember 1815, nach dem Abzug der napoleonischen Truppen aus Spanien und der Wiederherstellung der spanischen Monarchie eroberten spanische Verbände unter Pablo Morillo die Kolonie zurück. Erst nach der Schlacht von Boyacá 1821 und weiteren Zusammenstößen im Frühjahr 1822 erlangte Cartagena gemeinsam mit der Kolonie die international anerkannte Unabhängigkeit vom spanischen Mutterland.
Der Literaturnobelpreisträger Gabriel García Márquez setzte Cartagena im Roman Die Liebe in den Zeiten der Cholera aus dem Jahre 1985 ein Denkmal. In Cartagena fand 1990 der Drogengipfel mit den Präsidenten Kolumbiens, Perus, Boliviens und der USA statt, auf dem Maßnahmen gegen den Anbau von Coca und die Gewinnung von Kokain besprochen wurden.