La sistemazione di piazza Carlo Felice ebbe inizio nel 1822, con gli isolati di impronta neoclassica eseguiti secondo i disegni dell’architetto Gaetano Lombardi (1793-1868) nell’ambito dei lavori per lo slargo alberato della ‘piazza del Re’.

L’andamento semi-ottagonale conferito all’imbocco di via Roma fu mantenuto dagli interventi realizzati nel corso degli anni Trenta del Novecento, mentre l’assetto attuale della piazza si deve al Piano d’ingrandimento della capitale preparato nel biennio 1851-1852 dall’architetto Carlo Promis (1808-1873) su committenza delle autorità civiche, allo scopo di provvedere all’espansione della città verso Porta Nuova, Porta Susa, Borgo Dora e Vanchiglia. Il progetto definì uno schema planimetrico che alterava il tracciato del preesistente piazzale, delimitando il perimetro dell’area con un ampio porticato prospiciente a due piazzette laterali perfettamente integrate nella maglia viaria (attuali piazze Lagrange e Paleocapa).

Al contempo fu decretata la prosecuzione del sistema dei portici, sino ad allora limitato a via Po e piazza San Carlo. Nonostante la formazione classicista dovuta agli insegnamenti dell’architetto Ferdinando Bonsignore (1760-1843), al quale si deve la celebre chiesa della Gran Madre di Dio, Promis rielaborò il verbo neoclassicista all’insegna di contaminazioni che segnarono la transizione verso l’eclettismo, benché il merito del suo lavoro si precisasse soprattutto per la definizione di un modello di regolamentazione urbanistica.

Dagli Anni Sessanta dell’Ottocento l’area centrale della piazza è occupata da un giardino eseguito su disegno dell’architetto francese Jean-Pierre Barrilet-Deschamps, intitolato nel 1926 a Ernesto Balbo Bertone di Sambuy (1837-1909), già soprintendente ai giardini pubblici di Torino e sindaco della città dal 1883 al 1886.

Il 26 novembre del 1942 e il 13 agosto 1943, la piazza fu oggetto di bombardamenti, in particolare sull'Hotel Ligure et d'Engleterre, all'allora n. 85, all'angolo con corso Vittorio Emanuele II.