Ulica została wybudowana na śladzie dawnej drogi prowadzącej z Gdańska do Kartuz. Trakt ten prowadził przez kilka wiosek, z których niektóre (Siedlce, Jasień) zostały wchłonięte przez Gdańsk i obecnie są dzielnicami lub osiedlami Ulica Kartuska rozpoczynała się bramą miejską, wybudowaną na początku XVI wieku w ramach fortyfikacji miejskich. W czasie, kiedy miasto rozrastało się wzdłuż obecnej ulicy Kartuskiej, brama stała się zbędna, więc została wyburzona pod koniec XIX wieku. Jedynym reliktem, dzięki któremu można odnaleźć to miejsce, jest układ skrzyżowania Kartuska/Nowe Ogrody/Powstańców Warszawskich/Pohulanka. W 1886 wzdłuż początkowego odcinka Kartuskiej powstała linia tramwajowa. Większość zabudowy ulicy Kartuskiej spłonęła podczas zdobywania Gdańska przez Armie Czerwona. W 1945 w wyniku zmiany granic państwowych Gdańsk znalazł się w Polsce co spowodowało zmianę nazwy ulicy z Karthäuser-Str na obecną. Polskojęzyczna nazwa jest dosłownym tłumaczeniem nazwy niemieckojęzycznej. Po wojnie bieg ulicy został nieco wyprostowany (szczególnie na terenie Siedlec), stąd skrzyżowanie Kartuskiej z Kartuską. W 1973 roku ulica została wydłużona (przekwalifikowanie drogi na ulicę), gdyż do Gdańska zostały włączone tereny leżące wcześniej poza miastem. W 1994 roku na ulicy Kartuskiej wydarzyła się największa katastrofa autobusowa w Gdansku. W 2008 roku oddano do użytku biurowiec Ka5.
