Район Карвансара был образован 9 сентября 1930-го года. Административным центром района площадью 1336 км2 являлся город Карвансара республиканского подчинения. Расстояние от районного центра до города Иреван составляет 142 км.
Территория района исторически входила в Шамшаддильский махал Иреванского ханства, а во времена царской России – в Газахский уезд Елизаветпольской (Гянджинской) губернии.
Территория района Карвансара включает в себя также часть ущелья Гарагоюнлу. Он окружен горными хребтами Пембек, Мургуз, Хелеб и Карвансара. Река Агстафа (бассейн Куры) протекает по территории района.
19 марта 1951-го года села упраздненного Дилижанского района были переданы в подчинение района Карвансара.
С 1987-го года коренные азербайджанцы района были вынуждены покинуть свои места проживания. В 1995-ом году район был упразднен и включен в административную территорию Тавушской области Армении.
