Im Forschungs- wie im Ausbildungssektor liegt in Karlsruhe der Schwerpunkt auf dem naturwissenschaftlich-technischen Bereich. Mit ihren insgesamt neun Hochschulen und zahlreichen Forschungseinrichtungen ist die Stadt heute ebenso ein wichtiges Ausbildungszentrum wie ein herausragender Wissenschaftsstandort. Dies spiegelt sich auch in der Tatsache wider, dass Karlsruhe in den letzten Jahren mit den Titeln „Treffpunkt der Wissenschaft“, „Stadt der jungen Forscher“ und „Stadt der Wissenschaft“ ausgezeichnet wurde. 2014 waren nahezu  42.000 Studenten an den Karlsruher Hochschulen eingeschrieben. Mehr als die Hälfte von ihnen studierte am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Das KIT entstand 2009 durch den Zusammenschluss von Universität Karlsruhe (TH) und Forschungszentrum Karlsruhe und avancierte so zum größten deutschen Forschungsinstitut und zum größten Arbeitgeber in der Stadt. Bis 2012 zählte die Einrichtung zu den deutschen Elite-Universitäten. Die 1972 gegründete Informatikfakultät des KIT ist die älteste in Deutschland, 1984 wurde hier die erste über das Internet verschickte E-Mail in Deutschland empfangen. Wie am KIT stehen auch bei der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft angewandte Forschung und praxisnahe Ausbildung im Zentrum. Mit dem Zuse Z 22 besitzt die Lehranstalt den ältesten noch voll funktionsfähigen und originalgetreuen Röhrenrechner der Welt. Im Bereich der Musikinformatik besteht eine Kooperation mit dem Institut für Musikwissenschaft und Musikinformatik an der Hochschule für Musik Karlsruhe.

Neben der Musikhochschule befinden sich in Karlsruhe mit der Staatlichen Akademie der Bildenden Künste und der Staatlichen Hochschule für Gestaltung noch zwei weitere renommierte künstlerische Ausbildungseinrichtungen. Die Hochschule für Gestaltung wurde 1992 gegründet. Sie kooperiert eng mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie und ist damit in eine weltweit einmalige Konstellation von Lehr-, Forschungs- und Ausstellungsinstitutionen eingebunden. Der Wissenschaftsrat bescheinigte der Hochschule in seinem Evaluationsgutachten 2008 ein ausgezeichnetes Ausbildungskonzept.

Neben den Hochschulen ist Karlsruhe heute auch Sitz mehrerer bedeutender Forschungsinstitute, darunter befinden sich zwei Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft und ein Institut der Helmholtz-Gemeinschaft sowie das Forschungszetrum Informatik, das die besondere Rolle der Stadt im Bereich der IT-Forschung unterstreicht. Außerdem residiert mit dem Max-Rubner-Institut eine Bundesbehörde des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft in der Stadt. Die heute bestehende enge Vernetzung zwischen den Forschungseinrichtungen und der Wirtschaft bildet eine zentrale Grundlage für die Innovations- und Wirtschaftskraft, die Karlsruhe im Technologiebereich auszeichnet.