El 24 de mayo de 2009, el equipo hace historia: por primera vez desde su creación y al empatar en Alcoy 2-2 en el partido de vuelta con goles de Mena y de Juan Pablo, asciende a Segunda División. El 29 de agosto de 2009, el equipo debutó en la Segunda División A del fútbol español, jugando en el Municipal de Montilivi del Girona FC y ganando por 0 a 1. El primer jugador en marcar en la nueva categoría fue Quique de Lucas. José Antonio Rodríguez Girona «Machuca» fue el primer entrenador de la temporada, después serían Juan Francisco Alcoy (de forma temporal) y Pep Balaguer. En el último tramo de liga llegó Juan Ignacio Martínez, un técnico que hizo un buen trabajo, salvó al equipo del descenso y mereció la renovación. Pichi Lucas sustituyó al valenciano, obteniendo unos resultados iniciales desoladores llevaron al F. C. Cartagena a rozar los puestos de descenso. Sin embargo, una posterior racha de victorias consecutivas acompañadas de un fútbol ofensivo que disfrutabamos cada vez más seguido, llevó al equipo a optar por los puestos de play-off de ascenso, un objetivo al que se llegó a estar muy cerca en la jornada 31 a tan solo 3 puntos del 4.ª por aquel entonces el Ceuta y a 4 puntos del 3.ª. Las últimas jornadas del campeonato dejaron sin opciones al F. C. Cartagena, finalizando el campeonato en 8.ª posición.
Tras 5 jornadas el Cartagena FC abandona la competición en medio de una situación insostenible. David Amaral empezó la temporada como entrenador pero dimitió a mitad de competición coincidiendo con la marcha de Miguel Torrecilla, en su lugar vino José Luis Montes pero sería destituido por los malos resultados, y Juan Francisco Alcoy tomó las riendas en las últimas jornadas. El Grupo ACS, dado a la posición que se encontraba dentro del proyecto, fue llamado a declarar como testigo en un juicio que finalmente no tuvo lugar. En la fase de grupos finalizaron en segundo lugar detrás de la selección neerlandesa. Al final quedó segundo encuadrado en el grupo III de 2.ª B y jugó la liguilla de ascenso a Segunda división. Se juega de nuevo en el grupo III de 2.ª B. A su llegada hace cambios significativos, como son el escudo y el nombre del club, ambos a semejanza del histórico Cartagena FC para acercar el club a la ciudad de Cartagena. Los colores que identifican al club son el negro y el blanco, utilizados en sus inicios con camiseta lisa blanca y pantalón negro y años más tarde también se han usado en forma de rayas verticales.
En la temporada 2001-2002 el club queda encuadrado en el grupo IV de 2.ª B. El equipo cambia de indumentaria, se cambia el pantalón negro por el blanco, y la camiseta pasa de ser blanca a ser rayada blanca y negra. La temporada 2007-2008 significa el declive del gran proyecto de ascenso gestado tres años antes. Luis Oliver Albesa aterriza en Cartagena tras haber fracasado en su proyecto de ascender al Xerez CD a Primera División, y lo hace prometiendo el ascenso inmediato y formando una gran plantilla. Luis Oliver Albesa y su equipo desaparecieron del mapa y dejaron a César Traversone, director deportivo, como única cabeza visible del club. Luis Oliver Albesa colocó como presidente a su testaferro, Manuel Feitó, como presidente del club. El club se hundió económicamente con Luis Oliver Albesa: no había dinero para pagar a los jugadores, que estuvieron muchísimos meses sin cobrar, las oficinas se quedaron incluso sin línea telefónica, el caos era absoluto. El objetivo era la permanencia pero poco a poco el equipo se encaramaba a las primeras posiciones. En la temporada 1999-2000 el objetivo era ascender de categoría.
El FC Cartagena se había ganado el derecho a jugar el play-off de ascenso, y era favorito para lograr el objetivo. Juan Francisco Alcoy arrancó la temporada en el banquillo manteniendo un buen equilibrio de puntos pero el juego no era nada vistoso y esto le costó el puesto en una decisión polémica. En la temporada 2002-2003, Antić fichó por el FC Barcelona cuando llegó en enero de 2003 para sustituir al neerlandés Louis van Gaal. ↑ «MEMORIA ANUAL 2003/2004». FC Barcelona. ↑ La federación tuvo diferentes denominaciones en la época. Años después, en 1950, la federación recuperó su nombre original y los equipos de las provincias de Valladolid y Salamanca, junto a los equipos Ávila C.F. Tras 11 jornadas ostentaba el liderato de la Segunda División de España tras no haber perdido ningún partido, empatar 5 y haber ganado otros 6, protagonizando uno de los mejores arranques de la historia de la categoría desde que se disputa la Segunda División de 22 equipos. Fue una temporada irregular, y solo al final se pudo salvar la categoría con tres victorias consecutivas que dejaron al equipo en la 15.ª posición. La temporada fue muy irregular, Felipe Mesones se sentó en el banquillo para dirigir el equipo hasta su destitución para ser sustituido por José Ramón Corchado.
