Il caffè San Carlo nasce all'inizio dell'Ottocento conosciuto anche con il nome di Caffè di piazza d'Armi, recuperando l'antica denominazione della piazza; fu uno dei primi caffè torinesi a dotarsi di decorazioni esterne per sottolineare il suo ingresso e a sperimentare l'illuminazione a gas (1).

Chiuso nel 1837 per «attività sovversiva», riapre dopo pochi mesi come Caffè Vassallo dal nome del nuovo proprietario,  sotto il vincolo "a non favorire [...] coinvolgimenti con la politica, l'azzardo, disordini di alcun tipo".

Per rilanciare il locale, Vittorio Vassallo chiama l'architetto luganese Giuseppe Leoni che nel 1839 realizza la facciata di disegno classico, pregevole portale da tempio greco, in marmo con colonne doriche binate, trabeazione festonata con tanto di acroterio a palmette, gravemente danneggiata nell'ultima guerra e purtroppo sostituita. Al 1840 risale l’avvio dei primi lavori di decorazione interna: il salone centrale ad opera del Leoni, con lesene dorate, capitelli corinzi, grandiose specchiere ancora conservati (2).

I soffitti e pareti sono decorati dai Morgari e da Giuseppe Borra, artisti di rilievo già attivi per Casa Savoia (3).

Del 1851 è la decorazione della saletta più piccola, detta «gabinetto cinese», dipinta da Pietro Spinzi e Giacomo Beltrami (4).

Dopo vari cambi di gestione, il caffè rimane chiuso tra il 1883 e il 1893. Riapre nel 1894 e sensibile alle mode del tempo, si dota di una sala da concerti, una sala moresca e una veranda invernale, ora scomparse (5).

Il Caffè, diventato un salotto intellettuale di riformisti durante l’epoca risorgimentale, luogo di ritrovo di tanti esuli, frequentato tra gli altri da Cavour, D'Azeglio e Alessandro Dumas padre, ha avuto nel corso degli anni successivi una vasta clientela di intellettuali e politici, da Giovanni Giolitti e Luigi Einaudi. Assidui avventori sono anche i Sei di Torino, protagonisti del movimento pittorico tra i più significativi del Novecento italiano; qui venne progettata dal Duca degli Abruzzi e dall’ammiraglio Cagni la storica missione in Antartide con la nave Stella Polare.

Durante la guerra, i danni provocati dai bombardamenti del ‘42, sono stati gravissimi; il caffè devastato da uno spezzone incendiario è costretto a una nuova chiusura. I lavori per il restauro e la parziale ricostruzione del caffè iniziati nel 1953 durano dieci anni. Demolita la facciata ottocentesca, sostituita da serramenti moderni bordati in granito e porte d'ingresso arretrate in bussola e rialzate, restano solo, in parte ricostruite, le due sale con ingresso dalla piazza San Carlo.

Il locale fa parte del marchio Locali Storici d’Italia.

Delle tante sale e salette originarie rimangono le due prospicienti la piazza.

Nella sala principale la decorazione del soffitto affrescato, distrutto dai bombardamenti, è stata sostituita con una semplice decorazione a tempera, stucchi e dorature; intorno al 1960 è collocato il grande lampadario di Murano a 18 bracci.

Si sono invece conservate parte delle preesistenti decorazioni pittoriche delle pareti tinteggiate con velature a effetto marmo, tra cornici e lesene dorate con capitelli corinzi intervallate da grandi specchi e porte agli angoli, eseguite dai Morgari e da Borra tra il 1839 e il 1840. In parte originale anche il fregio dipinto tra i capitelli delle lesene con amorini, ghirlande di fiori e uccelli entro cornici ovali.

Il salone ha pavimento in marmi policromi a disegni geometrici, bei tavoli tondi in marmo e poltroncine in velluto scarlatto.

Più piccolo e riservato l'ambiente a fianco, di gusto Impero, con volta a pianta ovale, dipinto nel 1851 da Pietro Spinzi e Giacomo Beltrami; conserva parte delle decorazioni originaria nei cassettoni riquadrati della volta con ornati di girali fitomorfe, nei pannelli sulle pareti tra le colonne semicircolari laccate di chiaro: 12, con scanalature a spigolo vivo e capitelli ionici dorati che sorreggono il cornicione intagliato e dorato su cui è impostata la volta. Tra le semicolonne, nicchie contengono statue femminili di gusto classico, collocate in occasione dell'intervento di rifacimento operato nel dopoguerra.

La sala ha pavimento in marmi policromi a disegni geometrici.