Uma parte importante deste território, a península de Tróia, com cerca de 17 km de comprimento e 1,5 km de largura, é o resultado da acumulação de areias fluviais e marítimas.
É possível que as primeiras comunidades humanas que habitaram o território do Carvalhal reportem ao período Mesolítico, tendo em atenção as estações arqueológicas encontradas nesta região. Habitado ou não na Pré-História, certo é que, durante o domínio Romano, o seu espaço (a norte) viu surgir uma povoação e um importante complexo industrial de conserva de peixe e marisco
Após a criação da freguesia de Melides, no século XVI, a maior parte do território do Carvalhal passou a integrar aquela freguesia, enquanto o extremo norte da península de Tróia dependia de Setúbal.
Em 1855 (e depois 1895) o território do Carvalhal, então integrado na freguesia de Melides e no concelho de Santiago de Cacém, passou a integrar o concelho de Grândola
Em 18 de Dezembro de 1987, na sequência de uma divisão territorial da freguesia de Melides, foi criada a nova freguesia do Carvalhal.
