Capoluogo con Iglesias della provincia di Carbonia-Iglesias, la città fu fondata ufficialmente nel 1938, in piena età fascista, in un luogo prevalentemente incolto e disabitato dove, fino ai primi anni del Novecento, vivano appena tremila anime sparse in piccoli villaggi sorti attorno al bacino carbonifero scoperto a sud del fiume Cixerri.
Carbonia (il cui nome, come è ovvio, deriva dalla principale attività economica dell'epoca) fu realizzata in poco più di un anno ed è un tipico esempio di "città fondazione": la tipica edilizia di epoca fascista si concentra intorno alla via Roma, dove si apre l'omonima piazza, particolare per la disposizione a terrazza verso est, intorno alla quale si collocano gli edifici principali: il municipio, la chiesa, la torre littoria, il dopolavoro. Di notevole interesse la chiesa di San Ponziano dedicata al pontefice romano del III secolo, condannato ai lavori forzati nelle miniere dell'Iglesiente, divenuto perciò protettore della città e del carbone.
La periferia nord-occidentale della città ospita una vasta area di interesse archeologico, chiamata Monte Sirai, con i resti di una necropoli fenicio-punica, di un tofet (santuario, luogo del sacrificio e della sepoltura di fanciulli e piccoli animali ), di alcune "domus de janas" (strutture sepolcrali realizzate nella roccia) e del nuraghe Sirai con annesso villaggio neolitico.
Simbolo della città sono le due torri metalliche della Grande Miniera di Serbariu, sito carbonifero attivo dal 1937 al 1963; il complesso è stato restaurato e ristrutturato a fini museali e didattici ed ospita il Centro Italiano della Cultura del Carbone, con il Museo del Carbone che illustra la storia del carbone, dei minatori e della miniera. In particolare la lampisteria accoglie una preziosa collezione di lampade da miniera, attrezzi da lavoro, strumenti, oggetti di uso quotidiano, fotografie, documenti, filmati d'epoca e videointerviste ai minatori.