Karvansara rayonu 1930-cu il sentyabrın 9-da yaradılmışdır. Sahəsi 1336 km² olan rayonun inzibati mərkəzi respublika tabeli Karvansara şəhəri olmuşdur. Rayon mərkəzindən İrəvan şəhərinə olan məsafə 142 km-dir.

Rayonun ərazisi tarixi İrəvan xanlığının Şəmşəddil mahalına, Çar Rusiyası dövründə isə Yelizavetpol (Gəncə) quberniyasının Qazax qəzasına daxil olmuşdur.

Karvansara rayonunun ərazisinə Qaraqoyunlu dərəsinin də bir hissəsi daxildir. Bura Pəmbək, Murğuz, Hələb və Karvansara dağ silsilələri ilə əhatə olunmuşdur. Ağstafa çayı (Kür hövzəsi) rayon boyu axır.

19 mart 1951-ci ildə ləğv edilmiş Dilican rayonunun kəndləri Karvansara rayonunun tabeliyinə verilmişdir.

1987-ci ildən rayonun əzəli azərbaycanlı sakinləri yaşadıqları yerləri tərk etməyə məcbur edilmişlər. 1995-ci ildə isə rayon ləğv edilərək Ermənistanın Tavuş vilayətinin inzibati ərazisinə daxil edilmişdir.