Em termos arqueológicos, as prospecções aqui realizadas, dizem-nos que este território foi habitado desde tempos imemoriais, até porque reunia todas as condições propícias à fixação desses povos na região. No seu perímetro físico foram identificados o Castro de S. Domingos, na fronteira com as freguesias vizinhas de Ferreira e Paços de Ferreira, e as necrópoles de S. Roque e de Peias.
No Castro foram identificados vestígios de muralhas defensivas, alguns fragmentos de cerâmica de pasta grosseira e fabrico manual, anterior à romanização e algumas ânforas romanas. Embora não tenha sido estudado exaustivamente como seria exigível, os estudos até agora realizados levam a supor ter sido um local com algum relevo à época e com um razoável tempo de ocupação.
A Necrópole de S. Roque que foi descoberta em 1952, a quando da abertura de uma estrada, contribuiu com imenso espólio para o estudo dos povos que remotamente povoaram este espaço. Foram descobertas algumas sepulturas com oferendas diversificadas e casas e fornos, identificativos de um núcleo habitacional ligado a uma necrópole. Do espólio recolhido, que se encontra disperso em colecções particulares, merecem destaque onze peças intactas de cerâmica comum, cinco jarros, dos quais se destacam três por terem bocal trilobado, três bilhas de embocadura de anel côncavo e dois copos, tudo em cerâmica.
De Peias, onde foi encontrado algum espólio ocasional (um jarro e duas bilhas) pouco se sabe. Dizem que neste lugar teria existido uma necrópole, embora tudo continue envolto em muitas duvidas. São precisas novas prospecções para uma identificação correcta do local
Carvalhosa é povoação muito antiga, cuja existência, segundo documentos medievais, se confunde com a fundação da nacionalidade. Por essa altura (séc. X/XII) pertencia à Terra de Sousa (área situada entre os vales do Tâmega e Ferreira), cuja tendência era exercida pela família dos Sousas, como recompensa dos serviços prestados ao rei. Nos começos do séc. XIII, nas Inquirições de 1220 (inquérito patrimonial régio), toda esta região onde Carvalhosa estava incorporada, aparece abrangida pela designação comum de Terra de Ferreira (área situada entre os rios Sousa e Ferreira). Novo ordenamento que resulta das alterações políticas ocorridas no séc. XII, durante o reinado de D. Afonso II (1210 – 1223), quando se procura recuperar para a Coroa a autoridade pública que se tinha perdido a favor das famílias nobiliárquicas. Intensas lutas de interesses se desenvolveram durante o reinado de D. Sancho II (1223 – 1248) e se prolongaram pelo de seu filho D. Afonso III (1248 – 1279). Mas é com este monarca que o poder régio é instituído, conduzindo tal facto a um novo reordenamento administrativo do reino. Por isso, o concelho de Paços de Ferreira, nas Inquirições de 1258, passa a integrar-se em dois julgados (de Refojos e Aguiar de Sousa). Carvalhosa ficaria no Julgado de Aguiar de Sousa e na Arquidiocese de Braga.
Em 1835, passou a pertencer ao Termo do Porto e a depender da sua Câmara Municipal. Com a criação do concelho de Paços de Ferreira, em 1836, passa a ser parte integrante deste município, até aos dias de hoje. Devido às sua características geográficas, os seus habitantes dedicaram-se durante séculos à agricultura. No século XVIII, apareceram referências à confecção da croça, agasalho para o frio e para a chuva, que era vendido por todo o país, mas principalmente na província de Trás-os-Montes e Alto Douro, por zonas de rigoroso inverno.
Carvalhosa é uma freguesia do concelho de Paços de Ferreira, com 5,97 km² de área. A nível populacional, segundo os censos de 2011, foram contados 4.583 habitantes.