Costruita sulla precedente S.Nicola de Tofo fu voluta dalla chiesa tridentina per esaltare l'insegnamento di Carlo Borromeo in occasione della sua canonizzazione che avvenne nel 1610. Il disegno del progetto, ispirato dal Duomo di Milano, è di Onorio Longhi. Iniziata nel 1612 è continuata da Martino Longhi il Giovane, nel 1668 Pietro da Cortona completa la cupola, la tribuna e il disegno decorativo dell'interno. La facciata, del 1682, nasce sul disegno del cardinale Luigi Alessandro Omodei e si presenta, nella sua maestosità, tripartita da un ordine gigante corinzio a paraste laterali e semicolonne al centro. La cupola è invece scandita da un ampio tamburo aperto da finestre, ritmato da pilastri e colonne. La pianta interna è a tre navate, divise da pilastri in finto marmo con cappelle laterali e volta a botte. Nella volta centrale stucchi di Cosimo e Antonio Fancelli su disegni di Pietro da Cortona mentre nelle volte delle navate laterali stucchi e affreschi di Ludovico Gimignani, Luigi Garzi, Giovan Battista Benaschi. [1678-81]
Nella navata centrale affresco nella volta della 'Caduta degli angeli ribelli' di Giacinto Brandi [1677-79] autore inoltre delle
figure di evangelisti nei pennacchi della cupola [1671-72], nellle volte del transetto e del presbiterio ('Gloria di S.Carlo' 1677). Nel transetto destro al ricco altare è collocata la copia in mosaico dell'Immacolata di Carlo Maratta situata a S.Maria del Popolo. Ai lati statue di Giuditta, [di Pietro Pacilli] e di David. [Jean Lebrun] All'altare maggiore 'Gloria dei Ss.Ambrogio e Carlo' dello stesso Maratta, [1685-90]
nella prima cappella a sinistra 'Predica di S.Barnaba' di Pier Francesco Mola, in antisagrestia la 'Crocifissione' del Borgognone
