Los yacimientos arqueológicos localizados en la zona de San Carlos del Valle, se corresponden fundamentalmente con dos lugares: la vega del Río Azuer y montes y cerros que rodean al pueblo, tales como el Castillejo, la Allozosa, el Serijo, El Galvarín. En ellos se han encontrado hachas de piedra, puntas de flecha, lascas, raspadores, restos de cerámica y objetos de metal.
De la época romana cabe destacar la existencia de restos tales como ánforas, cráteras, ollas y cuencos, restos de vidrio, monedas ..
Durante la dominación árabe de estas tierras (711- 1212) fue esta zona un lugar de paso y de luchas constantes entre árabes y cristianos. De esta época destaca lo que conocemos como "El molino de los moros", construcción situada a orillas del río Azuer. Junto al río Azuer se conservan todavía algunas norias con arcos de ladrillo con influencia de las construcciones típicas árabes.
Tras la derrota musulmán, la zona del termino del actual San Carlos del Valle paso a manos cristianas. Esta zona pertenecía a la Orden Militar de Santiago y dependía jurídicamente del pueblo de La Membrilla. Durante los siglos XII o XIII se construyó la Ermita de Santa Elena, hoy desaparecida. Hasta el siglo XVIII no fue más que una ermita con una pintura en una de sus paredes muy venerada y milagrosa de la imagen del Santo Cristo del Valle.
Las cada vez más intensas peregrinaciones para rogar al Cristo hicieron que la Corona y las Órdenes Militares edificaran una nueva ermita y dependencias para albergar a los peregrinos, aunque la intención verdadera pudo ser la de realizar una construcción emblemática del lugar y para la propia Corona. Eso explicaría la utilización de un código culto entremezclado con lo popular a la hora de erigir el conjunto monumental.
La obra finalizó durante el reinado de Felipe V, y provocó un aumento de población, se hizo necesaria una reordenación urbanística, que llevó a cabo, ya en tiempos de Carlos III, Pablo de Olavide. A él se debe el plano totalmente regular del que hoy goza el pueblo. En diciembre de 1800, Carlos IV dictó una Carta Real de Privilegio con la que autorizaba la independencia de San Carlos del Valle y lo convertía en municipio independiente.
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