Der Mühlbach ist eine Karst-Quelle, die aus dem Boden im Garten des Mühlbacher Schlosses entspringt und dort im Badesee eingefasst ist. Er ist Namensgeber des heutigen Stadtteils von Karlstadt, der urkundlich erstmals im Jahr 1286 nachgewiesen ist.
Die Quelle, auch Broili-Quelle genannt nach der früheren Schloss-Eigentümerfamilie Broili, hat eine beständige Schüttung von 90 Litern pro Sekunde, was den Auslauf eines unterirdischen Sees unter der Fränkischen Platte zwischen Stadelhofen und Rohrbach vermuten lässt. Der Bach trieb jahrhundertelang fünf Mahlmühlen an und war Einnahmequelle für die Müller, den Grundeigentümern und bis zur Säkularisierung 1806 für die Würzburger Fürstbischöfe, denen die Müller Zins zahlen mussten.
Auch im Schloss, früher ein Rittergut mit einer Ökonomie, speiste der Mühlbach ab 1595 eine Mühle.
Nach etwa 360 Metern, teilweise unter der Straße, mündet der Bach in den Main.