Το θέατρο της Καρθαίας είχε ιδρυθεί σε απόσταση 80 μ. περίπου από τη θάλασσα, μέσα σε φυσική κοιλότητα της νοτιοδυτικής κλιτύος της Άσπρης Βίγλας, δηλ. του λόφου στην άκρη του οποίου απλώνεται η ακρόπολη της αρχαίας πόλης. Τμήμα του είχε αποκαλυφθεί το 1965 από την Εφορεία Κυκλάδων. Από το 2011 η αποκάλυψη, στερέωση και ανάδειξή του έχει ενταχθεί σε πρόγραμμα ΕΣΠΑ της Περιφέρειας Ν. Αιγαίου, ενώ παράλληλα η ανασκαφή του εντάσσεται στα πλαίσια της Πανεπιστημιακής ανασκαφής Καρθαίας.

Η κατασκευή του μνημείου χρονολογείται, από μορφολογικά κυρίως κριτήρια, στην Ελληνιστική περίοδο. Η κατασκευή του είναι απλή και ενταγμένη στη μορφολογία της περιοχής. Παρουσιάζει τη χαρακτηριστική τριμερή διάρθρωση των ελληνιστικών θεάτρων (κοίλο, ορχήστρα, σκηνικό οικοδόμημα) και ήταν εξ ολοκλήρου λιθόκτιστο. Τα εδώλια αποτελούνται από μεγάλες πλάκες πρασινωπού σχιστόλιθου, εδραζόμενες σε λιθοπλίνθους λευκού σιπολίνη. Η διαμόρφωση των παρόδων και των τοίχων που συγκρατούσαν πλευρικά το κοίλο μόλις αρχίζει να αποκαλύπτεται. Τις σειρές των εδωλίων διακόπτουν τρεις λίθινες κλίμακες, που χωρίζουν το κοίλο σε πέντε κερκίδες. Το κοίλο εδράζεται πάνω σε φερτή επίχωση που περιέχει πλήθος πρώιμης κεραμικής (μεσοκυκλαδική και γεωμετρική έως ύστερη μελανόμορφη), ενώ η επίχωση που κάλυπτε το μνημείο χρονολογείται από τα ελληνιστικά μέχρι και τα ρωμαϊκά χρόνια.