Los judíos ya estaban presentes en la ciudad cuando el rey de Francia la cedió al papado en 1274. En el siglo XIV, el barrio judío albergaba a noventa familias y se encontraba en la calle Fournaque, cerca de las murallas.
En 1459, fue saqueado durante un motín que se cobró sesenta víctimas; la comunidad se vio obligada a trasladarse al centro de la ciudad, a la calle de la Muse, que pasó a llamarse calle de los Judíos o «carriere», cerrada en ambos extremos por puertas. Los judíos del siglo XIV vivían principalmente del comercio de productos agrícolas y de los préstamos. Un censo de 1473 revela que en Carpentras vivían sesenta y nueve familias judías. En 1523, el papa Jacobo Sadoleto impuso restricciones adicionales a sus actividades y la comunidad se redujo considerablemente. Tras las expulsiones de 1570 y 1593, solo contaba con unas pocas familias, pero, cuando en 1669 las pequeñas comunidades del Comtat Venaissin se agruparon en las cuatro carrieres, volvió a contar con ochenta y tres familias, es decir, 298 personas.
A lo largo del siglo XVIII se impusieron nuevas restricciones. La construcción de la sinagoga fue, en particular, objeto de un largo conflicto. Las obras, iniciadas en 1741 para hacer frente al aumento del número de fieles, avanzaron rápidamente. Pero, en 1757, el obispo obtuvo de Roma la autorización para reducir sus dimensiones a las de la Edad Media: con la ayuda de albañiles, procedió él mismo a la demolición. Los judíos protestaron. El conflicto se prolongó hasta 1784. En esa fecha, se llegó a un acuerdo sobre unas dimensiones aceptables. A finales del siglo XVIII, la comunidad contaba con unos 2000 miembros. La mayoría vivía en la pobreza, incluso en la miseria. Sin embargo, había algunos ricos, como Jacob de la Roque o Abraham Crémieux. Durante la Revolución, la sinagoga se convirtió en la sala de reuniones de los jacobinos. Volvió a ser un lugar de culto en 1800.
La comunidad de Carpentras dio pocos intelectuales de renombre: médicos y poetas, principalmente. La Reine Esther, obra escrita por Mardochée Astruc de Carpentras y Jacob de Lunel en el siglo XVIII, inspiró la ópera cómica Esther de Carpentras, cuyo libreto redactó Armand Lunel y que se estrenó en París en 1938.
La sinagoga fue declarada monumento histórico en 1924. Una escalera monumental conduce a la sala de culto, que se distribuye en dos niveles: la sala de reuniones, con el arca de los testamentos, y la galería-tribuna, con la tevá. La decoración interior es notable: podrá admirar el techo de color azul, salpicado de estrellas, los paneles de madera, la decoración dorada del tabernáculo, las columnas que sostienen la tévah, el sillón del profeta Elías, las lámparas de araña y los candelabros. En el sótano, los elementos de la construcción medieval siguen en pie: el horno de pan ácimo, el mikvé, la sala de oración reservada a las mujeres, donde un rabino especialmente designado dirigía las oraciones en judeo-provenzal (judeo-comtadin).
En mayo de 1990, el cementerio judío de Carpentras fue profanado por neonazis. Se saquearon 34 tumbas. Una gran movilización reunió a cientos de miles de personas en París, entre las que se encontraban el presidente François Mitterrand y Simone Veil.
Cada verano se celebra el Festival de Culturas y Músicas Judías de Carpentras. La edición de 2025, organizada del 10 al 12 de agosto, ofreció recitales y conciertos en la sinagoga y en el patio de la Charité. Entre ellos, Romanceo Sefardico, Aude Marchand, Pletzl Bandit, Bad Brapad Acoustic Trio y Kalistrio.