An der Stelle der Alten Brücke haben sich seit dem 13. Jahrhundert acht hölzerne Vorgängerbrücken befunden, auf deren Fundamenten die Brücke gebaut ist. Auch das Brückentor am Südende der Brücke existiert seit dem Mittelalter.
Die Karl-Theodor-Brücke mit Torhäusern und Balustrade wurde 1786-1788 nach Plänen des kurpfälzischen Bauinspektors Mathias Mayer errichtet, nachdem der Vorgängerbau an gleicher Stelle im Februar 1784 durch Hochwasser und Eisgang großteils zerstört worden war. Nur die in unregelmäßigen Abständen stehenden Pfeiler und die rundbogigen Durchgänge der Treidelpfade hatten das Unglück überstanden.
Der Brückenbau folgte in der Konzeption vor allem zwei Zielen: Errichtung einer hochwasser- und eisgangsicheren Brücke und Wiederverwendung der alten Bauteile. Damit war nicht nur die Entscheidung für die erste Steinbrücke Heidelbergs motiviert, auch die zur Mitte hin erhöhte Fahrbahn war Ergebnis dieser Überlegungen. Indem nämlich die Brückenbahn kurvenförmig über dem Fluss ansteigt, bietet sie nicht nur größeren Durchlass für Schiffe, sondern entzieht sich auch dem Druck des Hochwassers. Einige Pfeiler wurden neu fundamentiert und aufgemauert, andere übernahm man samt ihrem mittelalterlich abgeschrägten, bei Eisgang bewährten Profil; die flussabwärts liegenden Pfeilerenden erhielten eine strömungsgünstigere gerundete Form. Korbbogige Wölbungen überbrücken die Distanz zwischen den Pfeilern, sie erlauben bei gleicher Spannweite eine niedrigere Höhenentwicklung als Rundbögen und entsprechen dem spätbarocken Formempfinden.

Auf der Brücke stehen zwei Skulpturengruppen von 1788 von Konrad Linck aus Speyer. Eine zeigt Kurfürst Karl Theodor mit pfälzischen Hauptflüssen Neckar, Rhein, Main und Donau. Die andere zeigt Minerva, der allegorische Frauengestalten zu Füssen liegen, verkörpernd Gerechtigkeit, Frömmigkeit, Landbau und Handel.
Am Südende der Alten Brücke steht das in seiner Bausubstanz mittelalterliche Brückentor mit seinen 28 Meter hohen flankierenden Doppeltürmen. 1788 wurde er von Bauinspektor Mathias Maier umgestaltet und die spätbarocken Turmhelme ersetzten die spitzen Kegeldächer.
Der nördliche Brückenzugangsbereich wurde 1902 um ca. 1, 50 m verbreitet.
Die im März 1945 gesprengten mittleren Bogenteile wurden bis 1947 wieder instand gesetzt.
Zur Instandsetzung wurden die Pfeilerfundamente gesichert und teilweise mit Stahlbeton ummantelt.
1969/70 musste die Fahrbahn wegen des zunehmenden Autoverkehrs gesichert werden. Die Landbögen 1 und 2 wurden mitsamt dem Pfeiler komplett abgetragen und mit einem um 1,70 Meter erhöhten Scheitel wiederaufgebaut. Gleichzeitig verstärkte man zwischen Pfeiler 3 und 7 die Fahrbahn, indem eine Stahlbetonplatte eingebaut wurde. Zugleich wurde die Ufermauer erhöht, um die Hochwassergefahr an der tief gelegenen Brückenunterführung zu mindern.
Im Jahre 1972/73 wurde vom Tiefbauamt der Stadt Heidelberg eine Neuabdichtung der Fahrbahn und der Gehwege über den Pfeilern 5-7 und über den Bögen 5-9 vorgenommen.
2000-2003 folgte eine Gesamtinstandsetzung.

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