Karlova mõis (saksa k Karlowa) asutati 1793. aastal, mil ta eraldati Tähtvere mõisast. Algselt oli mõis von Krüdeneride omanduses, kes püstitasid sinna 18. sajandi lõpul kõrgel soklil asuva ühekorruselise hilisbarokse puithoone.

Umbes 1830. aasta paiku ehitati hoone põhjalikult ümber. Vana hoone kaunistati neogooti stiilis elementidega ning ta keskossa lisati kolme akna laiune eenduv keskosa. Hoone parempoolsesse otsa lisati aga suur L-tähe kujuline neogooti stiilis kahekorruseline juurdeehitus. Rekonstrueeritud hoonet ilmestasid astmikviilud, tornikesed ja kaaraknad.

1919. aastal võõrandati mõis von Bulgarinitelt. 20. sajandil paiknes peahoones ühiselamu, kuni 1990te lõpul siirdus mõis eraomandusse. Praeguseks on hoone uuem osa renoveeritud, sh taastatud mitmeid 20. sajandil kadunud kujunduselemente.

Mõisakompleks on jäänud kaasajal praktiliselt Tartu kesklinna, mistõttu peahoone ümber asuvat väikest parki ümbritsevad tihedad elamukvartalid. Seetõttu ei ole säilinud arvukate kõrvalhoonetega mõisakompleksi. Vaid paar tugevalt ümber ehitatud hoonet on sulandunud linnapilti.

Ajaloolise jaotuse järgi Tartumaale Tartu-Maarja kihelkonda kuulunud mõis jääb kaasajal Tartumaale Tartu linna territooriumile.