Im Zuge der Industrialisierung und der damit verbundenen Verstädterung änderte sich das Stadtbild Karlsruhes während des Kaiserreichs erheblich, 1900 wurde die badische Residenz mit dem Überschreiten der 100.000-Einwohner-Marke die 34. deutsche Großstadt. In der Garnisonsstadt Karlsruhe kam der im Kaiserreich herrschende Militarismus besonders deutlich zum Ausdruck. Die damals zahlreich entstehenden Kriegerdenkmale und Militärvereine verdeutlichen dies ebenso wie die Präsenz des Militärs im Alltag und bei den meisten Festivitäten.

Das starke Bevölkerungswachstum, das sich maßgeblich aus der wachsenden Schicht der Arbeiterschaft speiste, machte die Erschließung neuer Wohngebiete und zugleich den Ausbau und die Modernisierung der städtischen Infrastruktur nötig. So erfolgte zu dieser Zeit der Bau des ersten Elektrizitätswerkes, eines zweiten Gaswerkes sowie eines neuen Wasserwerkes und es entstand eine moderne, leistungsfähige Kanalisation. Seit 1907 hatte Karlsruhe mit dem Neubau des städtischen Klinikums eines der modernsten Krankenhäuser der Zeit. Bereits 1874 war mit dem Neuen Friedhof der erste städtische Parkfriedhof Deutschlands entstanden.

Wichtige wirtschaftliche Impulse gingen vom 1901 eröffneten Rheinhafen aus, der sich schnell zu einem bedeutenden Industriegebiet und letztlich zu einem der größten deutschen Binnenhäfen entwickeln sollte. Bei der Stadtentwicklung im Kaiserreich spielten auch die Eingemeindungen umliegender Ortschaften eine zentrale Rolle. Sie brachten den neuen Stadtteilen den Anschluss an die städtische Infrastruktur, lieferten der Stadt dringend nötige Flächen zur Bebauung und bereicherten nicht zuletzt das Erscheinungsbild der Residenzstadt.

Auf kulturellem Gebiet zeichnete sich die badische Residenz unter anderem durch das überregional bedeutende Hoftheater aus. Hier wurde Schauspiel auf hohem Niveau geboten und die Oper erlangte unter dem seit 1880 amtierenden Generalmusikdirektor Felix Mottl (1856–1911) europäischen Rang. Karlsruhe galt damals zudem als Stadt der Kunst. Zu den zahlreichen künstlerischen Einrichtungen zählten die Großherzogliche Gemäldegalerie und die Großherzoglich Badische Akademie der Bildenden Künste.

Eine Besonderheit des Karlsruher Kunstbetriebes war die unter dem Protektorat von Großherzogin Luise (1838–1923) stehende private Malerinnenschule, die 1885 eröffnet wurde. Sie bot Frauen, die damals noch nicht an den staatlichen Einrichtungen studieren durften, die Möglichkeit, eine professionelle künstlerische Ausbildung zu erlangen. Überhaupt kommt der badischen Residenz eine Vorreiterrolle im Bereich der Frauenrechte zu. So wurde hier 1893 mit Unterstützung der Stadt das erste Mädchengymnasium Deutschlands eröffnet, das auch den Weg für das Frauenstudium frei machte.