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El nombre deriva de la forma Carvayosa la Sagrada, con la que el lugar aparece en un documento de diciembre de 1248 conservado en el Archivo Histórico Nacional, una compraventa de una heredad por 200 maravedíes. Es un nombre de lugar relativamente común en las provincias leonesas. Procede de carbajo, una voz local para el roble: la forma patrimonial en el occidente leonés es carvayo, del latín carvalio, que en castellano da carbajo. En el contexto salmantino suele aludir al melojo (Quercus pyrenaica). Cerca de La Mata de Armuña está Carbajosa de Armuña, con el mismo sentido de bosque de robles. El complemento «de la Sagrada» no tiene una explicación en las fuentes consultadas.
Alfonso IX de León fundó Carbajosa a comienzos del siglo XIII, dentro del cuarto de Peña del Rey de la jurisdicción de Salamanca, en el reino de León. En la guerra de la Independencia, antes de la batalla de Arapiles de 1812, el ejército aliado acampó en Carbajosa y sus alrededores, y por eso el nombre aparece en muchos libros publicados en Inglaterra y Francia.