Karsdorf liegt zwischen Nebra (Unstrut) und Burgscheidungen unmittelbar an der Unstrut auf einer Höhe von 149 m über NN.

Der heilige Laurentius als Schutzpatron der Karsdorfer Dorfkirche und der heilige Martin von Tours für die Kirche des untergegangenen benachbarten Dorfes Bünisdorf (auch Pinsdorf) stehen für einen frühen Ursprung von Karsdorf. In einem zwischen 881 und 899 entstandenen Verzeichnis des Zehnten des Klosters Hersfeld wird Karsdorf als zehntpflichtiger Ort Coriledorpf im Friesenfeld erstmals urkundlich erwähnt.

Das als fränkische Gründung an der alten Franken-, Wein- oder Kupferstraße gegründete Karsdorf wird 1109 als Karlestorph urkundlich erwähnt. Der Name „Karlestorph" hat aber nichts mit dem Karst zu tun, der im Siegel gezeigt wird, sondern ist vielmehr zu verstehen als „Dorf eines Karl", dem bekannten fränkischen Namen. Das Siegel des Ortes bezieht sich dagegen eindeutig auf den dortigen Weinanbau, der schon unter den Franken verbreitet war und im 12. Jahrhundert erstmals urkundlich bezeugt ist.

Das Dorf entstand direkt an der Furt durch die Unstrut, zu deren Schutz schon bald eine Burg auf der Hohen Gräte errichtet wurde, die sich zunächst im Besitz der Grafen von Mansfeld befand, dann an die Edlen Herren von Querfurt überging und deren Erbe nach dem Aussterben in der 2. Hälfte des 15. Jahrhunderts größtenteils an die Wettiner fiel. Die Forschung geht auch noch von einer zweiten Burgstelle aus.

Entscheidend für die Gründung des Ortes und seine weitere Entwicklung war die Lage an der Unstrut und der Unstrutfurt, die nur wenige Meter von der jetzigen Karsdorfer Brücke bestand. Diese Furt querte die Kupferstraße, also jene alte Verkehrsader, die eine Fortsetzung der Königsstraße war. Über sie gingen die großen Kupfertransporte von Mansfeld bis Eisleben nach Nürnberg und weiter in den Süden.

In Karsdorf hatte die Familie von Rockhausen (Adelsgeschlecht), Herren auf Kirchscheidungen von 1428 bis 1608 einen Edelhof inne. Spätestens seit 1469 hatte Herzog Wilhelm III. Karsdorf als Amtsdorf völlig in das Amt Freyburg integriert. Der Ort war Sitz eines gesonderten Landgerichtstuhls mit besonderen Richtern und Schöffen. Hier wurde Gericht gehalten und Vertreter der dazugehörigen Dörfer vorgeladen.

1589 lebten 61 Hauswirte im Ort, darunter 20 Anspänner und 41 Hintersättler. Nach dem verheerenden Brand von 1608, welchem 117 Wohnhäuser „samt der schönen, neuerbauten Kirche, Pfarre, Schule, Mühle, Brauhaus, Backhaus und Keltern" zum Opfer fielen, gaben die von Rockhausen ihre dort liegenden Güter auf. Am 29. April 1823 verwüstete ein durch Mordbrenner angelegtes Feuer 16 Häuser des Dorfes und zahlreiches Vieh.

Durch wüst gewordene Dörfer der Umgebung wurde die Ortsflur von Karsdorf wesentlich vergrößert, dazu zählen Siegerstedt (881/899: Sigiristat, 1589: Seigerstett), Bünsdorf (Bunisdorp, 1589: Bunßdorf) und Wölbitz (Wülbiz, 1589: Welfitz).

1927 wurde das Karsdorfer Zementwerk gegründet. Ein Standortvorteil war das Vorkommen von Kalkstein und verschiedenen Tonmineralen bei Karsdof. Während des Zweiten Weltkrieges mussten zahlreiche Frauen und Männer aus den von Deutschland besetzten Ländern in der Zementfabrik Zwangsarbeit verrichten, in deren Folge viele verstarben.

1815 gelangte Karsdorf an den Kreis Querfurt des Regierungsbezirks Merseburg der preußischen Provinz Sachsen. Zu DDR-Zeiten gehörte der Ort dem Kreis Nebra an.