Biển Kara trước đây được biết đến tại Tây Âu như là Oceanus Scythicus hay Mare Glaciale và nó xuất hiện trong các bản đồ thế kỷ XVI với các tên gọi như vậy. Do nó bị băng tuyết che phủ phần lớn thời gian trong năm nên nói chung nó vẫn chưa được thám hiểm cho tới tận cuối thế kỷ XIX.

Năm 1556 Stephen Borough trên tàu Searchthrift đã cố gắng để tới được cửa sông Obi, nhưng ông buộc phải dừng lại do bị băng giá và sương mù ngăn trở tại lối vào biển Kara. Tới năm 1580 một chuyến thám hiểm khác của người Anh, dưới sự chỉ huy của Arthur Pet và Charles Jackman, đã cố gắng vượt qua nó. Họ cũng thất bại trong cuộc chinh phục này và người Anh mất hứng trong việc tìm kiếm hành lang Đông bắc.

Giai đoạn năm 1736-1737 đô đốc người Nga là Stepan Gavrilovich Malygin đã thực hiện một chuyến đi từ đảo Dolgiy trong biển Barents. Hai tàu sử dụng trong chuyến thám hiểm này là Perviy (thứ nhất), dưới sự chỉ huy của Malygin, và Vtoroy (thứ hai) dưới sự chỉ huy của thuyền trưởng A. Skuratov.Sau khi đi vào khu vực biển Kara ít được thám hiểm, họ đã cho tàu tới được cửa sông Obi. Malygin đã thực hiện các quan sát kỹ lưỡng đối với khu vực mà trước đây gần như chưa hề được biết đến của vùng bờ biển Bắc cực của Nga. Với những kiến thức thu được này, ông đã có thể vẽ ra bản đồ tương đối chính xác đầu tiên cho vùng bờ biển Bắc cực nằm từ cửa sông Pechora cho tới cửa sông Obi.

Năm 1878, nhà thám hiểm người Thụy Điển là Adolf Erik Nordenskiöld trên tàu Vega đã đi từ Göteborg ngang qua biển Kara, dọc theo vùng bờ biển Siberi, và mặc dù bị các tảng băng trôi ngăn trở, ong đã tới được kinh độ 180° vào đầu tháng 9. Bị đóng băng trong mùa đông tại khu vực biển Chukchi, Nordenskiöld phải chờ đợi và trao đổi hàng hóa với người Chukchi bản địa. Tháng 7 năm sau, tàu Vega được giải phóng khỏi băng, và tiếp tục cuộc hành trình tới Yokohama, Nhật Bản. Ông trở thành người đầu tiên tìm thấy lối đi tại hành lang Đông bắc. Nhóm đảo đông nhất về số lượng đảo trong biển Kara, quần đảo Nordenskiöld, được đặt tên theo tên ông để ghi nhớ chiến công này.

Năm 1912 là năm thảm họa cho các nhà thám hiểm Nga trong biển Kara. Trong năm định mệnh đó, các khối băng cô đặc không tách rời đã ngăn cản đường đi trong hành trình đường biển phương Bắc và 3 chuyến thám hiểm vượt qua biển Kara đã bị mắc lại đây và thất bại: Sedov trên tàu Thánh Foka, Brusilov trên tàu Thánh Anna, và Rusanov trên tàu Gercules.

Georgiy Yakovlevich Sedov dự định tới Zemlya Frantsa Iosifa bằng tàu, lập một kho chứa lương thực thực phẩm tại đây và đi xe trượt tuyết tới Bắc Cực. Do băng dày nên tàu của ông chỉ có thể tới được Novaya Zemlya trong mùa hè đầu tiên và trú đông tại Zemlya Frantsa Iosifa. Tháng 2 năm 1914 Sedov hướng về phía Bắc Cực với 2 thủy thủ và 3 xe trượt tuyết, nhưng ông bị ốm và chết trên đảo Rudolf.

Georgy Lvovich Brusilov cố gắng để đi qua hành lang Đông bắc, nhưng bị mắc lại trong biển Kara, và bị trôi dạt về phía bắc trong hơn 2 năm, tới khu vực có vĩ độ khoảng 83°17 vĩ bắc. Mười ba người, do Valerian Ivanovich Albanov chỉ huy, đã rời tàu và bắt đầu vượt qua băng giá để tới Zemlya Frantsa Iosifa, nhưng cuối cùng chỉ có Albanov và một thủy thủ là Aleksandr Konrad sống sót sau 3 tháng hành trình vô cùng khắc nghiệt. Những người sống sót đã đem về nhật ký tàu Thánh Anna, bản đồ về sự trôi dạt của nó, cùng các ghi chép khí tượng hàng ngày, nhưng số phận của những người còn lại trên tàu thì tới nay vẫn chưa rõ là kết thúc ra sao.

Trong cùng năm, chuyến thám hiểm của Vladimir Aleksandrovich Rusanov cũng bị thất bại trong biển Kara. Sự mất thông tin liên lạc kéo dài của ba cuộc thám hiểm này đã khuấy động sự quan tâm của công chúng, và một số cuộc cứu hộ nhỏ đã được thực hiện, bao gồm cả năm chuyến bay của Jan Nagórski trên biển và băng từ vùng bờ biển phía tây bắc Novaya Zemlya.

Sau Cách mạng Nga năm 1917, quy mô và phạm vi thám hiểm biển Kara đã tăng mạnh như là một phần của công việc phát triển hành trình đường biển phương Bắc. Các trạm vùng cực, trong đó 5 đã tồn tại từ năm 1917, được gia tăng số lượng, cung cấp các thông tin khí tượng, thăm dò băng giá và các tiện ích thông tin liên lạc vô tuyến. Tới năm 1932 tại đây đã có 24 trạm, tới năm 1948 là khoảng 80, và trong thập niên 1970 là trên 100. Việc sử dụng tàu phá băng và sau đó là cả máy bay làm nền tảng cho các công cuộc nghiên cứu khoa học cũng được phát triển. Năm 1929 và 1930, tàu phá băng Sedov đã đưa một nhóm các nhà khoa học Nga tới Severnaya Zemlya, vùng đất lớn cuối cùng thuộc vùng Bắc cực của Liên Xô chưa khảo sát trước đó. Quần đảo được lập bản đồ trọn vẹn dưới sự lãnh đạo của Georgy Alekseyevich Ushakov giai đoạn 1930-1932.

Đáng chú ý có 3 cuộc hành trình của tàu phá băng Sadko, là đi xa hơn cả về phía bắc. Năm 1935 và 1936 khu vực chưa thám hiểm cuối cùng tại miền bắc biển Kara đã được khảo sát và đảo nhỏ khó thấy là đảo Ushakov đã được phát hiện.

Mùa hè năm 1942, các tàu chiến và tàu ngầm của Kriegsmarine (hải quân) Đức tiến vào biển Kara nhằm tiêu diệt càng nhiều tàu thuyền của Nga càng tốt. Chiến dịch quân sự này được đặt tên là "Unternehmen Wunderland" (cuộc hành quân Wunderland". Thành công của nó chỉ hạn chế do sự hiện diện của các lớp băng nổi, cũng như do thời tiết xấu và sương mù dày. Những nguyên nhân thời tiết và khí hậu này đã bảo vệ có hiệu quả cho tàu thuyền Liên Xô, ngăn cản các tổn thất có thể xảy ra cho hạm đội Liên Xô nếu thời tiết tốt.

Hiện tại có một số e ngại về lượng chất thải hạt nhân của Liên Xô trước đây đã thải vào biển, bao gồm 6 lò phản ứng trên tàu ngầm hạt nhân và 10 lò phản ứng hạt nhân, cũng như các tác động mà chúng gây ra đối với môi trường biển. Đánh giá của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) chỉ ra rằng mức độ thải là thấp và cục bộ[2].