L'École Monge
Le lycée Carnot se trouve en lieu et place de l'ancienne École Monge, laïque, fondée en 1869 par Aimé Godart (ancien professeur et directeur du collège Sainte-Barbe), saluant la mémoire du scientifique Gaspard Monge. L'établissement est agrandi entre 1875 et 1879, dans le but d'accueillir en tout 500 élèves (dont la moitié est interne) par l'achat d'un terrain boulevard Malesherbes. Les plans sont de Gustave Eiffel.
Le lycée Carnot
L'École Monge devient le lycée Carnot en 1895 pour rendre hommage à Sadi Carnot, président de la République française assassiné l'année précédente. On y compte alors les classes primaires, secondaires et préparatoires. Pendant la Première Guerre mondiale, l'infirmerie est transformée en hôpital franco-belge. 341 professeurs, fonctionnaires et anciens élèves périssent lors du conflit.
L'école primaire disparaît en 1958. De 630 élèves en 1895, le lycée atteint 1 003 étudiants en 1903, 1 887 en 1938 et 2 130 en 1992. La mixité du lycée devient effective en 1974. Un attentat a lieu en septembre 1982 ; il fait 52 blessés et amène une réhabilitation des locaux.
Le lycée Carnot est le premier lycée français à avoir opté pour un blog dans le cadre des relations entre l'administration, les élèves et les parents d'élèves, dès octobre 2008.
La rénovation du lycée est en cours, principalement sur les bâtiments de l'avenue de Villiers qui sont en travaux depuis 2009, sur un projet des architectes Richard et Schoeller. Leur projet est de créer un bâtiment aligné sur le gabarit de l'ancienne chapelle, aux formes étranges et douces.
