Do pierwotnej świątyni, Amenhotep I dodał dziedziniec a przed wejściem do niego wzniósł Pylon VI. Pośrodku dziedzińca znajdowała się słynna alabastrowa kaplica, pierwsze znane sanktuarium z barką, odgrywające kluczową rolę we wszystkich uroczystościach.
Totmes I zbudował mur okalający i, po zachodniej stronie, dwa pylony (IV i V) tworzące boki sali jubileuszowej (sali kolumnowej). Przed zachodnią fasadą świątyni wzniósł pierwszą parę obelisków.
Totmes II ufundował wielki odkryty dziedziniec przed świątynią i umieścił tam dwa kolejne obeliski.
Królowa Hatszepsut dokonała kilku istotnych zmian. Zburzyła prace Amenhotepa I w sercu świątyni i zastąpiła je salą ofiarną i drugim sanktuarium na barkę (wspólnie pod nazwą Pałac Maat). Po zachodniej stronie usunęła dach nad salą udżat, przebudowując ją na dziedziniec, na którym umieściła dwa ogromne obeliski. Następnie podjęła budowę nowego kompleksu po wschodniej stronie świątyni, do obchodzenia święta jubileuszu. Na osi północ-południe wzniosła pylon VII. Podczas jej panowania bloki z piaskowca systematycznie zaczęły zastępować stosowane wcześniej elementy wapienne.
Totmes III, chcąc zniszczyć dzieło królowej, odrestaurował dach nad salą udżat, który, w pewnym sensie, ukrył wyeksponowane obeliski Hatszepsut. Z kolei przed zachodnią fasadą świątyni wzniósł parę własnych obelisków. Zbudował rozległy kompleks jubileuszowy ach-menu (święty wizerunek boga) we wschodniej części oraz drugi mur wokół całej świątyni. Również wzniósł Pylon VII na osi północ-południe i postawił dwa własne obeliski.
Totmes IV dał dziedzińcowi portyk do obchodów jubileuszu na wschód od kompleksu ach-menu, w którym postawił jeden obelisk, największy z wszystkich egipskich monumentów. Umieszczono go w środkowej osi świątyni skrajnie na wschód i utworzono tym samym kończący element planu.
Amenhotep III zniszczył dziedziniec Totmesa II a w jego miejscu wzniósł Pylon III używając do tego celu bloków kamiennych pochodzących z wielu wcześniejszych budowli . Większość tych bloków wystawiono w muzeum na otwartym powietrzu w Karnaku, gdzie wyeksponowano również wiele obiektów znalezionych podczas wykopalisk na terenie świątyni. Wzdłuż osi północ-południe, Amenhotep III rozpoczął budowę Pylonu IX, a przed fasadą wzniósł ogromne kolosy przedstawiające władcę.
Rządy Amenhotepa IV Echnatona cechowała budowa dużego, oddzielnego kompleksu świątyń na wschód od świątyni Amona, w pobliżu obelisku Totmesa IV. Świątynie miały być poświęcone kultowi Atona. Wykonano je z małych modułowych bloków kamiennych, zwanych dziś talatat, umożliwiając tym samym szybką budowę.

U schyłku 18 dynastii świątynie w kompleksie Echnatona były systematycznie niszczone przez Horemheba, który wykorzystał ponownie tysiące bloków talatat do budowy fundamentów i wypełniania swoich budowli. Horemheb wzniósł Pylon II na zachód od zbudowanego przez Amenhotepa III, jak również Pylon IX a także ukończył budowę Pylonu X.

XIX dynastia

Seti I rozpoczął budowę wielkiej Sali Hypostylowej pomiędzy pylonami II i III, prace zostały ukończone przez jego syna Ramzesa II.  Ten władca podjął prace nad budową wielkiej grobli i nabrzeża by uchronić świątynię przed podchodzącą wodą oraz, we wschodniej części kompleksu zbudował świątynię o nazwie Amon który słyszy modlitwy, włączając obelisk Totmesa IV do sanktuarium. Dalej na wschód wzdłuż osi centralnej wzniósł monumentalną bramę  i dwa obeliski.
Seti II zbudował potrójne sanktuarium na barki Amona, Mut i Chonsu we wschodniej części świątyni.

Nieliczne budowle wzniesiono w okresie rzymskim, np. skromną kaplicę w zachodniej części Pylonu I, w pobliżu wejścia do świątyni. Służyła ona uprawianiu kultu cesarza. W czasach Konstantyna I (ok 330) do upadku miejsc świętych w Karnaku przyczyniło się usunięcie dwóch największych zachowanych obelisków (ogromny obelisk Totmesa IV i obelisk sprzed Pylonu VII), które wywieziono do Europy. Do upadku religii Amona przyczyniło się również utworzenie rzymskiego obozu wokół świątyni w Luksorze. W ciągu wieków późniejszych wiele z bloków wapiennych zdartych ze ścian świątyni zniknęło w piecach wapienniczych okolicznych mieszkańców. Okręg Tebański i jego miejsca kultu zniknęły z pamięci. Karnak został zidentyfikowany jako starożytne centrum kultowe dopiero w XVII w. Jego prawdziwe odkrycie nastąpiło dopiero w czasie wyprawy napoleońskiej w 1799 roku.