Στην Κέα κατά την αρχαιότητα αναπτύχθηκαν τέσσερις αρχαίες πόλεις-κράτη: η Ιουλίδα, η Καρθαία, η Κορησσία και η Ποιήεσσα. Στη ΝΑ ακτή του νησιού, στον όρμο Πόλες, εντοπίζονται τα εκτεταμένα λείψανα της Καρθαίας.

Τα πρωιμότερα ευρήματα στο χώρο ανάγονται στην πρωτοκυκλαδική περίοδο αλλά είναι σποραδικά και δεν τεκμηριώνουν μια τόσο πρώιμη εγκατάσταση στο χώρο. Ο πρώτος πυρήνας κατοίκησης της Καρθαίας διαμορφώθηκε στους γεωμετρικούς χρόνους. Σταδιακά η πόλη αναπτύχθηκε, φθάνοντας σε περίοδο ακμής κατά τον 6ο και 5ο αι. π.Χ. Εμφανίζεται ανεξάρτητη και αυτόνομη, περιβάλλεται από ισχυρές οχυρώσεις, οικοδομεί επιβλητικά δημόσια κτήρια και κόβει δικά της αργυρά νομίσματα με εμπροσθότυπο αμφορέα. Την πρώτη σωζόμενη φιλολογική αναφορά του ονόματος της Καρθαίας σώζει ο Πίνδαρος (Παιάν Δ΄ 13-15).

Οι Καρθαιείς μαζί με τους υπόλοιπους Κείους έλαβαν μέρος στα Περσικά. Συμμετείχαν στην Α΄ Αθηναϊκή Συμμαχία ήδη από το 478 π.Χ. και αναφέρονται στους φορολογικούς καταλόγους από το 451 π.Χ. Στον Πελοποννησιακό Πόλεμο (431-404 π.Χ.) πολέμησαν στο πλευρό των Αθηναίων.

Μετά το τέλος του πολέμου και έως το 394 π.Χ. το νησί βρισκόταν υπό σπαρτιατικό έλεγχο. Στα χρόνια που ακολούθησαν οι τέσσερις πόλεις της Κέας διαμόρφωσαν συμπολιτεία διατηρώντας ωστόσο η κάθε μία χωριστά τη νομισματοκοπία της και την έκδοση ψηφισμάτων. Την εποχή αυτή διαμορφώθηκε ένας συνασπισμός με τα γειτονικά νησιά υπό την κυριαρχία της Ερέτριας.

Η Καρθαία υπήρξε μέλος της Β΄ Αθηναϊκής Συμμαχίας, στο πλαίσιο της οποίας εξήγαγε μονοπωλιακά στους Αθηναίους μίλτο (ορυκτό που χρησιμοποιούνταν κυρίως στην ναυπηγική). Στη μάχη της Χαιρώνειας (338 π.Χ.) τάχθηκε στο πλευρό των Αθηναίων.

Στην περίοδο των Διαδόχων υπήρξε μέλος του Κοινού των Νησιωτών (314 π.Χ.) και παρέμεινε υπό την κυριαρχία των Αντιγονιδών έως το 288 π.Χ. Ακολούθως βρέθηκε υπό τον έλεγχο των Πτολεμαίων, που κυριαρχούν στις θάλασσες τουλάχιστον μέχρι τον Χρεμωνίδειο Πόλεμο (267/6 - 262/1 π.Χ.), οπότε η Κέα λειτούργησε ως ναυτική βάση.

Τον 3ο π.Χ. αιώνα η πειρατεία φαίνεται πως έπληξε και την Καρθαία. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου οι Κείοι, που εμφανίζονται πάλι ενωμένοι σε συμπολιτεία, ήρθαν σε συμφωνίες με το Κοινό των Αιτωλών.

Γύρω στο 200 π.Χ. οι δύο ασθενέστερες πόλεις του νησιού, Ποίηεσσα και Κορησσία, απορροφήθηκαν από τις δύο ισχυρότερες, Καρθαία και Ιουλίδα αντίστοιχα. Από το 200 έως το 168 π.Χ. η Κέα βρέθηκε υπό τον έλεγχο των Ροδίων.

Εν συνεχεία και μέχρι τη ρωμαϊκή περίοδο εντατικοποιήθηκαν οι σχέσεις με τους Αθηναίους, οι οποίοι επιτηρούσαν το νησί με επιμελητή. Σταδιακά όλες οι πολιτειακές λειτουργίες συγκεντρώθηκαν στην Ιουλίδα, ενώ στην Καρθαία φαίνεται ότι παρέμενε το θρησκευτικό κέντρο του νησιού.

Οι αιώνες που ακολουθούν είναι σκοτεινοί ως προς την ιστορική εξέλιξη, ωστόσο η κατοίκηση στην Καρθαία συνεχίστηκε μέχρι τον 7ο αι. μ.Χ. τουλάχιστον. Οι αρχαίοι ναοί βαθμιαία ερειπώθηκαν, τη θέση τους κατέλαβαν παλαιοχριστιανικοί τάφοι και βασιλική. Σε σπήλαιο εντοπίστηκαν και παλαιοχριστιανικά χαράγματα. Η νέα θρησκεία εδραιώθηκε αλλά πλέον η Καρθαία έπαψε να υφίσταται ως πόλη, καθώς την εγκατέλειψαν και οι τελευταίοι της κάτοικοι.

Από τον ύστερο 17ο αιώνα τα επιβλητικά κατάλοιπα της Καρθαίας άρχισαν να προσελκύουν ξένους αρχαιοδίφες περιηγητές στο απομονωμένο αυτό τμήμα του νησιού. Αρχικά η θέση ταυτιζόταν με την Ιουλίδα, αλλά το 1811 ο δανός Brondsted, που διεξήγαγε πολυήμερη έρευνα στο χώρο, διαπίστωσε βάσει επιγραφών ότι πρόκειται για την Καρθαία.

Συστηματική αρχαιολογική έρευνα στο χώρο ξεκίνησε το 1902 η Γαλλική Αρχαιολογική Σχολή. Η έρευνα συνεχίστηκε τη δεκαετία του 1960 από την Ελληνική Αρχαιολογική Υπηρεσία και το 1987-1995 από το Πανεπιστήμιο Αθηνών και το Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών. Τέλος, την περίοδο 2002-2008 η Επιτροπή Συντήρησης και Ανάδειξης αρχαίας Καρθαίας Κέας του Υπουργείου Πολιτισμού προχώρησε σε εργασίες ανάδειξης και αναστήλωσης των βασικότερων μνημείων της ακρόπολης.