La posa della prima pietra della chiesa avvenne il primo settembre 1619 sull'area ceduta dal duca Carlo Emanuele I di Savoia agli Agostiniani Scalzi. Alla chiesa era annesso il convento non più esistente. La chiesa venne dedicata a Carlo Borromeo (canonizzato il 21 agosto 1610), su volere di Carlo Emanuele I, ed era già officiata nel 1620. Per la realizzazione della decorazione interna furono necessari decenni. Nel 1653 la reggente Cristina di Francia affidò a Bernardino Quadri (notizie dal 1649 al 1695) l’esecuzione dell’altare maggiore e la decorazione a stucco dello stesso e del coro, su disegno di Amedeo di Castellamonte (1618-1683). La pala dell'altare maggiore raffigura San Carlo in adorazione della Sindone, opera di Giacomo e Giovanni Andrea Casella, datata intorno al 1655.

Nel 1834 fu bandito un concorso per la realizzazione della facciata, il progetto vincente fu quello di  Ferdinando Caronesi (1794 - 1842) che si rifece alla facciata juvarriana della vicina chiesa di Santa Cristina.

Nel 1863, quando agli Agostiniani si sostituirono i Secolari, la chiesa fu interessata da importanti interventi decorativi su disegno di Carlo Ceppi (1829 - 1921) ad opera di Rodolfo Morgari (1827 - 1909).

Nel 1892 - 1894 la chiesa fu interessata da nuovi interventi, conseguenti al ritorno dei Serviti (1871).

Nel 1935 - 1937 venne incorporata nei nuovi edifici di via Roma e vennero ridisegnati, da Marcello Piacentini e Giuseppe Momo, il fianco sinstro, l'abside e parte del fianco destro.