Carlo Borromeo arrivò il 9 ottobre 1538 accompagnato da quattordici ecclesiastici; il viaggio di quattro giorni fu occupato da preghiere e canti religiosi; entrò a Torino da Porta Palatina dove lo attendevano il duca con il figlio e tutto il popolo. Spinto dalla devozione alla memoria di Carlo Borromeo, Carlo Emanuele I, scelto il sito nel perimetro della Città Nuova pose la prima pietra della Chiesa il 1 settembre 1619 alla presenza di Carlo Emanuele I, dei suoi tre figli e tutta la corte. I lavori procedettero alacremente e il 4 Novembre 1620, giorno dedicato a san Carlo, si cominciò ad officiare. La paternità dell′opera è palleggiata tra Maurizio Valperga e Galleani di Ventimiglia con assegnazione al primo per ragioni cronologiche Benché fosse aperta al culto, dopo la fondazione occorsero decenni per completare interamente la chiesa di san Carlo. Maria Cristina di Francia contribuì con larghezza al suo ornamento. All′interno l′altare maggiore e la decorazione a stucco vennero affidati a Bernardino Quadri nel 1653 su disegno di Amedeo di Castellamonte. In questo altare venne collocata la tela di Pier Francesco Mazzucchelli, detto il Morazzone, che rappresenta san Carlo, che genuflesso, venera la Sacra Sindone retta in aria da due angioletti.
La facciata di Ferdinando Caronesi, con progetto datato 10 aprile 1835, fu eretta in granito e decorata con un bassorilievo di Stefano Butti che rappresenta Emanuele Filiberto comunicato da san Carlo Borromeo. Le sue linee si improntano alla tematica dell′attigua santa Cristina in un contesto più severo e di sapore neoclassico.