Uliczka swą nazwę - Karlstr. - pamiętniającą pobyt we Wrocławiu cesarza Karola IV, otrzymała dopiero w XVIII wieku. Biegła ona wtedy od ul. Krupniczej do ul. Świdnickiej (dziś południowy pas trasy W-Z) za wewnętrznymi murami miejskimi tuż przy starej fosie zwanej Czarną Oławą (Schwarze Ohle). Wcześniej zaliczana była do sterfy miasta zewnętrznego zwanego Pod Słodownikami. Pod koniec XVII i XVIII wieku zmienił się charakter ulicy. Dawne drewniane domki nad fosą i ogrody były stopniowo zastępowane rezydencjami bogatych urzędników i wojskowych. Po podniesieniu Wrocławia do rangi jednej ze stolic Prus przy Karlstr. zaczęła się rozwijać dzielnica rządowa. Najważniejszą budowlą przy tej niewielkiej ulicy był oczywiście dawny pałac Spätgenów przekształcony przez Fryderyka Wielkiego na pałac królewski. Jednak już w pierwszwj połowie XIX wieku głównie za sprawą Żydów w większości domów znajdowały się sklepy i warsztaty. Kolejne wielkie zmiany w wyglądzie ulicy planowano już w latach dwudziestych XX wieku. Miały one polegać na likwidacji zaułków powstałych w miejscu zasypanej w XIX w. Czarnej Oławy i utworzeniu w ich miejscu szerokiej drogi. Na realizację tych planów przyszło jednak jeszcze poczekać kilkanaście lat.

Zniszczenia wojenne nie ominęły niestety i tego rejonu. Z gęstej zabudowy między wąskimi zaułkami pozostała tylko kupa gruzu i puste place. Do 1945 r. dawna Karlstr. nosiła nazwę ul. Karola. W tym roku patronem ulicy został Kazimierz Wielki (1310-1370), ostatni król Polski z dynastii Piastów. W połowie lat 70. przystąpiono do budowy szerokiej arterii komunikacyjnej, co pociągnęło ze sobą wyburzenie kilku budynków oraz likwidację kilku ulic i zaułków.

W skład północnego pasa nowej trasy weszyły:
- pl. św. Krzysztofa (Christophoriplatz) - fragment na północ od kościoła św. Krzysztofa
- Zaułek Pokutniczy (Altbüßer-Ohle) - biegł od ul. Ofiar Oświęcimskich do ul. Szewskiej
- Zaułek Zamkowy (Schloß-Ohle) - biegł od ul. Świdnickiej do ul. Gepperta
- ul. Siedmiu Kół (Sieben-Rade-Ohle) - biegła od ul. Gepperta do pl. Bohaterów Getta
- Zaułek Ruski (Reussen-Ohle) - biegł od pl. Bohaterów Getta do ul. św. Mikołaja
- ul. Białoskórnicza (Weissgerbergasse) - południowy odcinek do ul. Ruskiej do ul. św. Mikołaja

Na południowy pas złożyły się:
- ul. Słodowa (Hummerei) - od pl. św. Krzysztofa do ul. Świdnickiej
- ul. Kazimierza Wielkiego (Karlstr.) - od ul. Świdnickiej do ul. Krupniczej
- ul. Złote Koło (Goldene-Rade-Gasse) - od pl. Bohaterów Getta do ul. Ruskiej
- ul. Nowy Świat (Neueweltgasse) - południowy odcinek między ul. Ruską i ul. św. Mikołaja.

Główna i jedna z najstarszych ulic Przedmieścia Oławskiego prowadząca w kierunku Oławy i Małopolski. Odcinek zachodni, od murów miejskich do ul. Pułaskiego, funkcjonował jako główna droga osady tkaczy walońskich. Przy nim znajdowały się wzmiankowane od połowy XIII w. kościoły św. Maurycego oraz św. Łazarza wraz z szpitalem dla trędowatych. Odcinek wschodni od ul. Pułaskiego do ul. Krakowskiej został zabudowany do końca XVIII w. m.in. klasztorem Bonifratrów (1714-1734), Biały Folwark z pałacem biskupim (1735 r.) w rejonie pl. Zgody czy młyn przy Żabiej Ścieżce. Początkowo ulica nie miała jednej nazwy na całej swej długości i tak odcinek zachodni nazywano Wallgasse, zaś odcinek wschodni Weingasse. Dopiero po włączeniu Przedmieścia Oławskiego od Wrocławia (1808 r.) połączono obie drogi nadając im jedną nazwę Klosterstr. (ul. Klasztorna) wywodzącą się od klasztoru Bonifratrów. Wtedy też rozpoczęło się przeobrażanie zabudowy. Zaczęły powstawać kamienice czynszowe (najstarsza nr 73 wg proj. z 1866 r.) oraz liczne zakłady przemysłowe głównie wzdłuż brzegów Oławy. Były to przede wszystkim drukarnie perkalu nr pod nr 66, od 1834 r. odlewnia żelaza i fabryka maszyn; pod nr 72-74 założona w 1809 r. przędzalnia bawełny Augusta Carla Mildego (jego grób znajduje się w kościele św. Maurycego), późniejszy zakład oczyszczania miasta czy wytwórnia wódek Carla Schirdewana pod nr 102-104. Na większości podwórek, w oficynach znajdowały się małe zakłady m.in. fabryka majonezu pod nr 45, fabryka konserw Manna pod nr 43 czy zakład transportowy pod nr 97. W 1852 r. w miejscu gospody Pod Austriackim Cesarzem wzniesiono ewangelicki szpital \"Bethanien\". Kompleks składający się z 10 budynków wraz z gmachem głównym wzniesionym w latach 1913-16 wg proj. Theodora Grunerta i firmy budowlanej Simon&Halfpaap.

W czasie wojny zniszczona została większość zabudowy od Podwala do ul. Pułaskiego. Część budynków w rejonie pl. Wróblewskiego rozebrano kilka lat po wojnie. W latach 90. uzupełniono plombami luki w zabudowie między ul. Prądzyńskiego i ul. Krakowską. Po powodzi 1997 r. wyburzono kilka kamienic w końcowym biegu ulicy lecz także przeprowadzono gruntowny remont drogi (lata 1998-1999). Do 5 listopada 1945 r. ulica nosiła nazwę Klasztornej, wtedy zmieniono ją na ul. gen. Romualda Traugutta (1826-1864), dyktatora w powstaniu styczniowym.