I Tyskland fik J.C.Jacobsen åbnet øjnene for bayersk øl, der er anderledes end den hvidtølstype, som danskerne drak indtil midten af 1800-tallet. Hans bryggeri i Brolæggerstræde skulle levere til de københavnske borgere, men pladsen inden for byens volde var blevet så trang og miljøet så dårligt, at Jacobsen søgte kongens tilladelse til at flytte bryggeriet til Valby, der lå uden for København, og hvor den nye jernbane fra København til Roskilde ganske praktisk også gik igennem. I Valby opførte han i 1847 bryggeriet Carlsberg navngivet efter hans søn Carl og 'berg', det tyske ord for bjerg, og som skal symbolisere bryggeriets placering på Valby Bakke.
Carlsberg fik hurtigt succes, og i 1868 eksporterede bryggeriet sin første tønde øl. Øllets kvalitet var af stor vigtighed for J.C. Jacobsen, og han oprettede derfor det velansete Carlsberg Laboratorium i 1875. Med forskeren Emil Christian Hansen i spidsen kom laboratoriet til at spille en stor rolle i tidens stræben efter at forstå øllets kemi. I 1883 lykkedes det ham at rendyrke ølgæren, og dermed kunne den ødelæggende ølsyge undgås. Gærtypen blev navngivet Saccharomyces carlsbergensis og metoden blev frit skænket til andre, og det er stadig carlsbergensis-typen, der bruges til pilsnerbrygning verden over.
J.C. Jacobsens søn, Carl Jacobsen, kom også ind i bryggeribranchen, og i 1871 fik han lov til at leje faderens nybyggede Anneksbryggeriet, som lå på grunden i Valby. Far og søn var dog ikke enige om øllets kvalitet. Far J.C. mente, at man ikke måtte forkorte øllets lagring, mens Carl netop ville forkorte den for at imødekomme den store efterspørgsel. I 1880 opsagde J.C. sønnens lejeaftale og kunne udvide sin egen produktion betydeligt. Carl, der allerede var blevet velhavende, opførte i stedet bryggeriet Ny Carlsberg ved siden af de to andre. Forholdet mellem Carl og J.C. var ikke godt, og de to Carlsberg-bryggerier blev først slået sammen 19 år efter faderens død (1906).
Carlsberg gik efterhånden til at være landsdækkende, og specielt i årtierne efter 2. verdenskrig begyndte bryggeriet at etablere produktion i udlandet. I 1964 overtog Carlsberg det nordsjællandske bryggeri Wiibroe, men lod det foreløbigt have sin egen ølproduktion. Carlsberg købte De forenede Bryggerier (Tuborg) i 1970 og fortsatte en overgang med dettes navn. I 1988 købte man det mindre vesttyske Hannen-Brauerei, og i 1992 indgik Carlsberg en fusion med britiske Tetley. I 2000 overtog Carlsberg det store schweiziske bryggeri Feldschlösschen.
I 2000 lagde Carlsberg og norske Orkla deres bryggeriaktiviteter i selskabet Carlsberg Breweries A/S med en ejerandel på henholdsvis 60 og 40 procent. Ejerstrukturen fungerede ikke optimalt og efter et overtagelsesforsøg fra Orkla, købte Carlsberg i 2004 selskabet fri igen for 14,8 mia. kr., ligesom det forøgede gælden yderligere ved at overtage tyske Holsten Brauerei, hvilket gav en solid position på det nordtyske marked.
Carlsberg brygger bortset fra Husbryggeriet Jacobsen fra 2008 ikke længere øl på den historiske grund i Valby da den danske produktion er samlet på Fredericia Bryggeri