Живописный город Монтерей был основан 3 июня 1770 года на берегу одноимённого залива отцом Хуниперо Серра и доном Гаспаром де Портолой, первым губернатором Калифорнии, разделявшейся в то время на Верхнюю и Нижнюю.
Через год Серра перенёс свою миссию в близлежащее поселение Кармел-бай-зе-Си, а первоначальная церковь оставалась часовней для испанских солдат, охранявших новый форт (пресидио) Монтерей. Нынешнее здание из песчаника возведено между 1791 и 1794 годами, что делает его самым старым каменным строением в Калифорнии. Это также первый собор Калифорнии, статус которого церковь приобрела в 1849 году, когда епископ Хосеп Алемани выбрал её в качестве резиденции епархии Монтерея.
По первоначальному плану церковь была прямоугольной, но в 1858 году добавили трансепт, что сделало её крестообразной. В 1921 году рядом с собором была построена копия грота Богоматери Лурдской.
В 2006 году церкви исполнилось 212 лет, и возраст начал брать своё: влага просачивалась сквозь стены, а корни деревьев разрушали фундамент, ослабленный внесёнными в конструкцию изменениями. Муниципалитет приступил к комплексной реставрации собора, которая заняла три года и была завершена в 2009 году. В ходе археологических раскопок было обнаружено множество артефактов, которые несли важную информацию о ранней истории Монтерея. Они выставлены в Центре наследия, расположенном по соседству с церковью.
Реставрированный собор Святого Карлоса вступил в свою новую эпоху как величественный свидетель истории Калифорнии.