Tarihsel olarak Karlıova, İslam Devletlerinin topraklarına Halife Ömer döneminde katılmıştır. Daha sonra 1514 Çaldıran Muharebesi'nde Osmanlı İmparatorluğu'na katılmıştır. Cumhuriyet döneminde ise 1936 yılında Muş'a bağlı olan bu yerleşim, Bingöl'ün il statüsü kazanmasıyla bir ilçe olarak bu ile bağlanmıştır. İlçenin adı, yapılan bir seçimle Karlıova olarak değiştirilmiştir.
Karlıova, coğrafi olarak Doğu Anadolu Bölgesi'nin Yukarı Fırat Bölümü'nde konumlanmıştır. Bingöl il merkezinin kuzeydoğusunda yer alır ve genellikle doğu-batı doğrultusunda uzanır. İlçe, ortalama 3000 metreye kadar yükselen dağlarla çevrili bir arazide bulunur. Bu dağlar arasında Karagöl Dağları (3057 m), Bingöl Dağı (3193 m), Şeytan Dağları (2.839 m) ve Şerafettin Dağları (2388 m) gibi yüksek zirveler yer alır. Yüksek rakımlı düzlüklerin yaygın olduğu bu bölge, aynı zamanda Peri Suyu, Göynük Çayı ve Murat Nehri gibi birkaç akarsu kaynağının bulunduğu hidrografik bir sınır bölgesidir. İlçenin yüzölçümü 1311 km²'dir ve il yüzölçümünün %16,60'ını oluşturur. Deniz seviyesinden yüksekliği 1940 metredir ve il merkezine mesafesi 70 kilometredir. Güneşin doğuşu, bu ilçenin sınırları içinde gözlemlenebilir.
Karlıova'nın dikkat çeken bir özelliği, Türkiye'nin en büyük iki fay hattı olan Kuzey Anadolu Fay Hattı ve Doğu Anadolu Fay Hattı'nın bu bölgede birleşmesidir. Bu nedenle Karlıova, Türkiye'nin en büyük deprem tehlikesi taşıyan bölgelerinden biridir. Özellikle 17 Ağustos 1949 tarihinde yaşanan 6,7 büyüklüğündeki deprem, ilçede 450 kişinin ölümüne ve 3500 binanın hasar görmesine neden olmuştur.
Karlıova, doğal güzellikleri, tarihi geçmişi ve coğrafi özellikleri ile Bingöl ilinin önemli ilçelerinden biridir.
