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Auf der Karlsbrücke befinden sich insgesamt 30 vor allem barocke Statuen und Statuengruppen. Die meisten von ihnen wurden erst 300 Jahre nach der Errichtung der Brücke geschaffen, also an der Wende vom 17. zum 18 Jahrhundert. Heute sind die Statuen zum Schutz durch Kopien ersetzt worden.
Der Großteil der Ausschmückung durch Statuen entstand auf Bestellung von wichtigen Prager Institutionen, von Mönchsorden oder von Privatleuten. An der Entstehung dieser einzigartigen Freiluftgalerie beteiligten sich bedeutende Bildhauer wie M.B. Braun, F.M. Brokoff, M.V. Jäckel, J.O. Mayer, Jeronym Kohl, Frantisek Preiss oder M.B. Mandl.
Die älteste Statue auf der Karlsbrücke ist der heilige Johannes von Nepomuk. Die Plastik des Märtyrers, der angeblich bei König Wenzel IV. in Ungnade gefallen war und im Jahr 1393 von der Karlsbrücke in die Moldau gestürzt wurde, hat 1683 Johann Brokoff geschaffen. Den Ort des Brückensturzes kennzeichnet bis heute ein erzbischöfliches Kreuz aus Messing, das in das Brückengeländer eingelassen ist. Angeblich werden einem alle Wünsche erfüllt, wenn man seine Hand so auf das Kreuz legt, dass jeder Finger einen der Sterne über dem Kreuz berührt.
Am Ort, an dem eigentlich die Statuengruppe des heiligen Ignaz stand, die 1711 von Ferdinand Maximilian Brokoff geschaffen wurde und beim Hochwasser von 1890 in die Moldau fiel, steht heute das jüngste Bildwerk: die Heiligen Kyrill und Method des Bildhauers Karel Dvorak aus den Jahren 1928 bis 1938.
Die wertvollste bildhauerische Schöpfung auf der Brücke ist sicher die heilige Luitgard, die Matthias Bernhard Braun im Jahr 1710 schuf. Dem damals erst 26-jährigen Künstler diente das Bild "Der Traum der heiligen Luitgard" von Peter Johann Brandl als Vorlage. Es erinnert an die Legende der Zisterzienserin, zu der sich Christus vom Kreuz herabgebeugt haben soll, damit sie seine Wunden küssen konnte.
Auf einem Pfeiler abseits der Brücke steht die Figur des sagenhaften Bruncvik, der laut einer Legende in die Welt zog, um einen lebenden Löwen für sein Wappen zu finden. Auf seiner Reise erhielt Bruncvik ein Zauberschwert, das von selbst die Feinde enthauptete. Dieses Schwert wurde angeblich in die Karlsbrücke eingemauert und sollte somit dem heiligen Wenzel und seinen Rittern dienen, wenn diese nach Prag kommen, um dem tschechischen Volk in schweren Zeiten beizustehen. Die ursprüngliche Bruncvik-Statue wurde im Dreißigjährigen Krieg von einer schwedischen Kanonenkugel heruntergeschossen und gehört heute zur Museumssammlung. Die neuzeitliche Kopie schuf 1884 der Bildhauer Ludvik Simek.
Eine der weniger bekannten Statuen ist versteckt am oberen Ende des Treppenhauses im Altstädter Brückenturm. Sie stellt einen Turmwächter dar und stammt laut Schätzungen von der Wende vom 14. zum 15. Jahrhundert.