Seit 1950 ist Karlsruhe Sitz des Bundesgerichtshofs und des Generalbundesanwalts beim Bundesgerichtshof und seit 1951 des Bundesverfassungsgerichts, weshalb die Stadt auch „Residenz des Rechts“ genannt wird. Zahlreiche Behörden und Forschungseinrichtungen mit überregionaler Bedeutung sind in Karlsruhe angesiedelt. Unter den neun Hochschulen der Stadt ist das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die älteste und größte, darüber hinaus seit 2019 erneut eine Exzellenzuniversität. Großen Infrastruktureinrichtungen wie den beiden Rheinhäfen und der zweitgrößten Raffinerie Deutschlands steht eine ansonsten vorwiegend mittelständisch geprägte Wirtschaft gegenüber. Karlsruhe ist einer der bedeutendsten europäischen Standorte der Informations- und Kommunikationstechnik. Daran knüpft mit dem Zentrum für Kunst und Medien (ZKM) auch eine der wichtigsten Kulturinstitutionen in der Stadt an. Andere, wie das Badische Landesmuseum oder die Staatliche Kunsthalle, gehören zum Erbe der Residenzzeit. 2019 nahm die UNESCO Karlsruhe als „Stadt der Medienkunst“ in ihr Netzwerk der Creative Cities auf.

Die Rheintalbahn Mannheim–Basel und die Badische Rheinbahn von Mannheim bis Rastatt (ehemals bis Haguenau) sind zwei der verkehrsreichsten Eisenbahnstrecken Deutschlands. Die Rheintalstrecke bis Basel wird als nördlicher Hauptzubringer des Gotthard-Basistunnels viergleisig ausgebaut. Im Ost-West-Fernverkehr wird die über Karlsruhe führende Magistrale für Europa (TEN 17) von Paris nach Bratislava zu einer Hochgeschwindigkeitsstrecke ausgebaut. In Ost-West-Richtung führen auch die Bahnstrecke Karlsruhe–Mühlacker Richtung Stuttgart und die Bahnstrecke Winden–Karlsruhe. Die private Albtalbahn sowie viele regionale Eisenbahn- und Überland-Straßenbahnverkehre werden mit Stadtbahnen bedient, siehe Abschnitt Öffentlicher Personennahverkehr.

Die Fernzüge halten am Hauptbahnhof, einige zusätzlich auch am Bahnhof Karlsruhe-Durlach. Beide Bahnhöfe wurden 1913 bzw. 1911 verlegt. Insbesondere die Lage des 1843 erbauten ersten Karlsruher Bahnhofs zu ebener Erde am Rand der Innenstadt behinderte sowohl den Bahnbetrieb als auch die Entwicklung der Stadt. Er wurde daher in Hochlage südlich des Stadtgartens neu errichtet, 1,7 km vom Marktplatz entfernt. Die alte Bahnhofshalle wurde zunächst als Markthalle genutzt, seit 1975 steht dort das Badische Staatstheater. 2008 wurde dem Karlsruher Hauptbahnhof die Auszeichnung Bahnhof des Jahres verliehen. Auf der südlichen, dem Bahnhofsvorplatz entgegengesetzten Seite des Hauptbahnhofs ist der Ankunfts- und Abfahrtsort für nationale und internationale Fernbusse. Karlsruhe ist Standort einer von sieben Betriebszentralen der Deutschen Bahn und eines Bahnstromumformerwerks. Bis 1997 war das Ausbesserungswerk Karlsruhe in Betrieb. Der Güterbahnhof in Innenstadtnähe wurde bis 1996 stillgelegt, einige Funktionen wie ein Container-Terminal finden sich nun auf dem Gelände des ansonsten weitgehend stillgelegten Rangierbahnhofs. Weitere Gleise für den Güterverkehr finden sich in Karlsruhe-West. Von den zahlreichen Anschlussgleisen wurden die meisten ebenfalls stillgelegt. Nur zum Rheinhafen, der Raffinerie und zur Papierfabrik gibt es noch Güterverkehr innerhalb Karlsruhes.
Öffentlicher Personennahverkehr