Gegründet 1795 von Herzog Carl II. von Mecklenburg–Strelitz als Oberschule, erhält die Schule 1811 den Namen Gymnasium Carolinum. 1925 wird das Gebäude am Glambecker See bezogen. 1939-1945 Nutzung des Gebäudes als Militärlazarett der Wehrmacht, 1945-1993 als Haus der Offiziere der sowjetischen Streitkräfte. In dieser Zeit nutzt die Schule wechselnde Gebäude der Stadt und heißt ab 1951 Clara–Zetkin–Oberschule.
1991 wird in M–V mit dem 1. Schulreformgesetz die Grundlage für das dreigliedrige Schulsystem geschaffen. Ab Oktober 1991 gibt es in Neustrelitz wieder ein Gymnasium Carolinum. Das Gebäude am Glambecker See wird erst 1993 nach dem Abzug der GUS-Streitkräfte für eine Sanierung frei. 1997 bezieht das Carolinum das sanierte historische Gebäude.
Als größtes Gymnasium in M–V bietet das Carolinum heute durch seine mathematisch–naturwissenschaftliche, alt- und neusprachliche, gesellschaftswissenschaftliche, künstlerisch–musische sowie sportliche Profilierung eine umfassende Förderung der Schüler.
- Anerkennung als Ganztagsschule seit 2003: viele Angebote (u.a. Drachenboot AG) erweitern die Aktivitäten der Schüler
- International Summerschool seit 2007: Schüler der 12. Klasse und Delegationen aus den ausländischen Partnerschulen arbeiten in Vorlesungen und Seminaren an humanistischen Themen
- Umweltschule seit 2008
- MINT-EC–Schule seit 2011
- Internationale Kooperationen mit Schulen in Norwegen, Dänemark, Finnland, Frankreich, Italien, Israel, Lettland, Spanien, Polen, Russland und Südkorea
- Europaschule – ERASMUS+-Schulpartnerschaften: Arbeiten in multinationalen Gruppen
- moderne multimediale Ausstattung (u.a. gefördert vom Schulverein Carolinum e.V.)
Bildungs- und Erziehungsarbeit bedeuten am Carolinum ein Miteinander von Eltern, Lehrern und Schülern in einer offenen und konstruktiven Atmosphäre.