Die Karthäusernelke ist in ganz Europa mit Ausnahme von Nordeuropa verbreitet. Sie besiedelt sowohl Kalk- als auch Ugresteinsböden und ist vor allem an sonnenbeschienenen Hängen und Böschungen, auf Heideflächen und in lichten Wäldern mit sandigen Böden zu finden.
In Deutschland kommt nur die Unterart Dianthus carthusianorum carthusianorum vor, in Österreich existieren neben dieser dagegen noch zwei weitere Unterarten mit regional unterschiedlicher Verbreitung: Die Voralpen-Karthäusernelke Dianthus carthusianorum alpestris und die Serpentin-Karthäusernelke D. carthuisanorum capillifrons.
Im dinarischen Küstengebirge des Westbalkens soll es eine nur dort vorkommende, also endemische Unterart geben, die Blutrote Nelke Dianthus carthusianorum sanguineus, die aber teilweise auch als eigenständige Art D. snaguineus geführt wird.
Die Karthäuse-Nelke ist eine – je nach den örtlichen Gegebenheiten – zwischen 15 und 45cm hohe Blütenstaude mit einem vierkantigen Stängel. Die flachen Laubblätter sind am Blattgrund scheidig verwachsen und gegenständig am Stängel angeordnet. Diese Blattscheiden sind nahezu viermal so lang wie die Blätter breit sind. Die etwa einen halben Zentimeter breiten, schmal-linealisch geformten Blätter fühlen sich derb an.
Die Blütezeit fällt in die Monate Juni bis September. Die roten, angenehm duftenden Blüten stehen in einem kopfförmigen Blütenstand an der Spitze des Stängels. Die purpur-roten, am Rand deutlich gezackten Blütenblätter der Krone sind bis zu 12mm lang. die Blütenkrone hat einen Durchmesser von 2 bis 2 1/2cm. Die bräunlichen Kelchschuppen haben eine ledrige Oberfläche und sind begrannt. Mit ihrer leuchtend roten Farben und der engen Blütenröhre, in der tief unten die Nektarquelle liegt, ist diese Nelkenblüte wie geschaffen für Tagschmetterlinge mit ihren ausreichend langen Saugrüsseln.
Die Karthäusernelke braucht einen sonnigen Platz mit einem sandigen, trockenen und durchlässigen Boden, der außerdem kalkhaltig sein sollte. Die Stauden können im März geteilt werden. Karthäusernelken sind zwar kurzlebig, sie sorgen jedoch Selbstaussat dafür, dass der Bestand nicht abnimmt. Nach Rückschnitt nach der ersten Blüte blüht die Karthäusernelke in der Regel noch ein zweites Mal.
Karthäusernelken eignen sich für einen Platz im Steingarten, im trockenen Kiesbeet aber auch – da sie nur wenig Platz beanspruchen – auf der Krone einer Trockenmauer.
Seit dem ausgehenden Mittelalter wurde die Karthäuser-Nelken in Klostergärten vor allem als Heilpflanze gehalten. Die medizinisch wirksamen Inhalststoffe sollen erweichend und schmerzstillend wirken. So stillt das Kauen der Blüten Zahnschmerzen; und die gemahlenen Blüetnblätter sollen sogar bei Schlangenbissen helfen. Die Pflanzensäfte und Blüten werden zur Linderung von Rheuma, Muskelschmerzen, Zahnschmerzen und verschiedenen Hautkrankheiten genutzt.