Στην Καρθαία, σε ένα φυσικό περιβάλλον σχεδόν αλώβητο από νεώτερες επεμβάσεις, σώζονται τα κατάλοιπα της αρχαίας πόλης που χρονολογούνται από τους γεωμετρικούς έως τους παλαιοχριστιανικούς χρόνους.

Στον χώρο δεσπόζει ένας βραχώδης όγκος, το «ελαχύνωτον στέρνον χθονός? του Πινδάρου, ο σημερινός ''Κουλάς''. Σε αυτόν τοποθετείται ο πυρήνας της πρωιμότερης κατοίκησης του χώρου κατά τους γεωμετρικούς χρόνους βάσει επιφανειακών ευρημάτων. Παράλληλα εδώ εντοπίζεται και μια από τις τελευταίες προσπάθειες οχύρωσης κατά την ύστερη αρχαιότητα με επαναχρησιμοποιημένες μαρμάρινες λιθοπλίνθους.

Την ακρόπολη περιθέουν σε μήκος άνω των 2 χλμ. τείχη, που χρονολογούνται στον 6ο - 4ο αι. π.Χ. Διαθέτουν πύλες και πύργους και είναι κατά τόπους κτισμένα με ογκόλιθους επιβλητικών διαστάσεων. Στον μεγαλύτερο μάλιστα από αυτούς (6,30, 1,80 μ.) είναι χαραγμένη επιγραφή του 5ου αι. π.Χ. με τέσσερα ανδρικά ονόματα, Οράλιος, Ένκαιρος, Σχενήρετος, Εύδημος.

Στο πλησιέστερο προς τη θάλασσα άνδηρο της ακρόπολης της Καρθαίας βρίσκεται ο εκατόμπεδος δωρικός ναός του Πυθίου Απόλλωνος (περ. 530 π.Χ.). Είναι πρόστυλος, εξάστυλος εν παραστάσι (πλ. 16,00 μ. 31,15 ύψ. 8,00 μ.) και υπήρξε ο κυριότερος λατρευτικός χώρος της πόλης, όπως μαρτυρούν φιλολογικές και επιγραφικές πηγές. Στον πρόναο και στην ''πλατεία'', εμπρός από το ναό, σώζονται πολλές βάσεις και βάθρα αναθημάτων, όπως και σειρά βάθρων ψηφισμάτων της βουλής και του δήμου των Καρθαιέων.

Στο ανώτερο άνδηρο βρίσκεται ο δωρικός ναός της ''Αθηνάς'' (περ. 500 π.Χ.), ο οποίος έχει αποδοθεί υποθετικά στην Αθηνά εξαιτίας ενός αγάλματος της θεάς, που μάλλον προέρχεται από αέτωμα του ναού. Είναι περίπτερος με 6?11 κίονες (πλ. 12,00 μ. 23,20 , ύψ. 8,70 μ.) και είναι ο παλαιότερος γνωστός δωρικός περίπτερος ναός στις Κυκλάδες. Τα αετώματα και τα ακρωτήριά του στόλιζαν αγαλματικές συνθέσεις (αμαζονομαχία, σήμερα στο Μουσείο Ιουλίδας). Στο στυλοβάτη διακρίνονται επιγραφές ''καλών''.

Μνημειώδες Πρόπυλο ορίζει από νότο την είσοδο στο άνδηρο του ναού της ''Αθηνάς'' (μέσα 5ου αι. π.Χ.). Πρόκειται για δωρικό, αμφιδίστυλο εν παραστάσι κτήριο (πλ. 5,30 μ. 5,30 , ύψ. 6,00 μ.). Στο Πρόπυλο οδηγούσε από δυτικά αναβάθρα, ενώ από ανατολικά επιβλητικό κλιμακοστάσιο, το οποίο καθιστούσε εφικτή την επικοινωνία των ανδήρων των δύο ναών.

Στο άνδηρο του ναού της ''Αθηνάς'' βρίσκεται επίσης το αδιευκρίνιστης λειτουργίας ''κτήριο D''(περ. 300 π.Χ.). Πρόκειται για ένα δωρικό, πρόστυλο, τετράστυλο εν παραστάσι κτήριο (πλ. 10,40 μ. 15,40 ύψ. 6,80 μ.) που οφείλει το συμβατικό του όνομα στο γράμμα D, με το οποίο το σημείωσε ο δανός Brοndsted στο πρώτο σκαρίφημα του χώρου, το 1811.

Χαμηλά στη δυτική κλιτύ της ακρόπολης βρίσκεται το λιθόκτιστο θέατρο της αρχαίας πόλης, που ανάγεται στην ελληνιστική περίοδο. Έχει αποκαλυφθεί τμήμα μίας κερκίδας με δύο κλίμακες, από όπου υπολογίζεται η χωρητικότητά του σε περ. 2.000 άτομα.

Στον διπλό όρμο της Καρθαίας διακρίνεται σήμερα καταβυθισμένος ο αρχαίος λιμενοβραχίονας (μ. 160 πλ. 35 μ.), που εκτείνεται έως τη νησίδα και σχηματίζεται από ογκόλιθους, πλάκες και κροκάλες.

Στην κορυφή της λοφοσειράς της Άσπρης Βίγλας, όπου υψώνεται σήμερα το ξωκκλήσι της Παναγίας της Μυρτιδιώτισσας, βρισκόταν αρχαίος ναός. Στις πλαγιές των λόφων απλώνονταν οικίες, όπως μαρτυρούν τμήματα τοίχων, κατώφλια, λιθοσωροί και χρηστικά αντικείμενα.

Νότια του θεάτρου, ανατολικά του ναού του Απόλλωνος και επί της οδού που συνέδεε τα δύο άνδηρα σώζεται σύστημα δεξαμενών για την υδροδότηση της πόλης (ελληνιστικών και υστερορρωμαϊκών χρόνων).

Στο σηκό του ναού του Απόλλωνος και στο άνδηρο του ναού της ''Αθηνάς'' έχουν ανοιχτεί τάφοι του 6-7ου αι. μ.Χ., συχνά επενδεδυμένοι με αρχαία αρχιτεκτονικά μέλη σε δεύτερη χρήση.