Staden grundades 1533 av don Pedro de Heredia efter staden Cartagena i Spanien. Under den spanska kolonisationen var staden ett viktigt centrum för nya bosättningar i Amerika och är än idag en ekonomisk knutpunkt som drar till sig många turister.

Under 1500- och 1600-talet var Cartagena en del av det Spanska havet, en av de viktigaste hamnarna för Spanska skattflottan och därmed även ett huvudmål för brittiska och franska pirater och kapare (exempelvis Sir Francis Drake, som plundrade staden 1580).

Många av Cartagenas fortifikationer finns kvar än idag: San Felipe de Barajas slott, byggt mellan 1536 och 1657. Murarna omkring den gamla staden (las Murallas); Undervattensmuren längs Bocagrande byggd mellan 1771 och 1778 samt forten San Jose och San Fernando, uppförda mellan 1751 och 1759 vid Bocachica.

Många koloniala byggnader finns i den gamla staden, bland annat Inkvisitionspalatset, en katedral, Santa Clara nunnekloster (numera ett hotell) och en Jesuitskola. Alldeles utanför stadsmurarna finns en staty över den lokala hjälten "India Catalina".