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El pueblo aparece citado en 1247 como Carbonero de Liedos, en 1587 como Carbonero la Mayor y en el siglo XIX ya con el nombre actual. Carbonero deriva del latín carbonem con el sufijo -arium y alude al lugar donde se fabricaba carbón vegetal o a quien se dedicaba a ello. Liedos podría venir de lleco o leco, «lugar sin cultivar», o del latín laetus, «abundante, fértil». Más tarde se le añadió «el Mayor» para distinguirlo de Carbonero de Ahusín, una aldea más pequeña. Es posible que lo fundara una persona dedicada al carboneo en un lugar que antes se llamaba Liedos, y que el nombre se lo dieran los habitantes de otras localidades.
No se conocen restos de la Edad del Hierro en Carbonero, aunque su término cae dentro del área de influencia del yacimiento celtibérico del cerro del Tormejón, en Armuña. En el pueblo han aparecido monedas romanas y vestigios de una posible calzada que uniría Segovia con Coca por el valle del Eresma. El origen de Carbonero parece medieval y se relaciona con las repoblaciones de finales del siglo XI.