Unter dem Herrscherpaar Karl Friedrich (1728–1811) und Karoline Luise (1723–1783) gewann Karlsruhe beträchtlich an Renommee. Die zukunftsweisende Reformpolitik Karl Friedrichs trug dazu ebenso bei wie die Aktivitäten seiner hochgebildeten Gattin. Der von Johann Gottfried Herder als „Deutschlands bester Fürst“ gewürdigte Markgraf zählte zu den herausragenden Vertretern des aufgeklärten Absolutismus. So sah er die Legitimation seiner Herrschaft nicht mehr nur im Gottesgnadentum begründet, sondern primär in der Erfüllung seiner Amtspflicht und war daher bestrebt, die Lebensbedingungen seiner Untertanen zu verbessern. Auf den neusten wissenschaftlichen Erkenntnissen basierend reformierte er zunächst die Verwaltung und das Justizwesen seines Landes. Auf landwirtschaftlichem Gebiet experimentierte er beispielsweise mit neuen Kulturen wie Kartoffeln, Mais oder Krapp und propagierte den Anbau von speziellen Futterkräutern, um das Brachliegen der Felder zu reduzieren und damit die Erträge zu erhöhen.

Mit der Einrichtung von Priester- und Lehrerseminaren und der 1753 erfolgenden Einführung der Volksschulpflicht bemühte sich Karl Friedrich auch um die Hebung der Volksbildung. Insbesondere durch die frühzeitige Abschaffung der Folter 1761 und die Aufhebung der Leibeigenschaft 1783 verschaffte sich der Markgraf schon unter seinen Zeitgenossen den Ruf eines besonders liberalen Herrschers. Seine Reformpolitik trug auch dazu bei, die während seiner Regierungszeit stattfindende Wandlung Badens von einer kleinen und relativ unbedeutenden Markgrafschaft zu einem viel größeren und dadurch auch politisch bedeutenderen Großherzogtum zu bewältigen.

Auf die Entwicklung Karlsruhes hatte Karl Friedrich durch das neue Stadtrecht von 1752 Einfluss genommen. Es gelang ihm, den bis dahin geltenden wirtschaftlichen Sonderstatus der Stadt maßvoll abzubauen und ihre Entwicklung zur repräsentativen Residenz zu ermöglichen. Nach seinem Regierungsantritt 1746 und insbesondere nach seiner Heirat mit Karoline Luise von Hessen-Darmstadt entwickelte sich der Karlsruher Hof nicht nur zum gesellschaftlichen Mittelpunkt der Stadt, sondern auch zu einem kulturellen und wissenschaftlichen Zentrum Süddeutschlands. Unter den Besuchern des Fürstenpaares befanden sich die Dichter Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832), Johann Gottfried Herder (1744–1803) und Friedrich Gottlieb Klopstock (1724–1803), der Komponist Christoph Willibald Gluck (1714–1787) und der Philosoph Voltaire (1694–1778).

Mit diesem, wie mit vielen anderen bedeutenden Persönlichkeiten der Zeit stand die Markgräfin Karoline Luise in regem Austausch. Die aufgrund ihres hohen Bildungsgrades unter den Zeitgenossen als „hessische Minerva“ bekannte Fürstin hatte ganz wesentlichen Anteil am Aufblühen des Karlsruher Hofes und zugleich an der kulturellen Entwicklung der Stadt. Mit der Gründung eines Naturalienkabinetts schuf sie den Grundstock für die Sammlung des Staatlichen Museums für Naturkunde und aus ihrer umfangreichen Privatgalerie ging die 1846 eröffnete Großherzogliche Gemäldegalerie hervor, die später zur Staatlichen Kunsthalle wurde.