Fu la prima delle due chiese gemelle a essere edificata nel settembre del 1619 con annesso il convento degli Agostiniani Scalzi, oggi demolito. Fu dedicata da Carlo Emanuele I a san Carlo Borromeo, che nel 1578 venne in pellegrinaggio da Milano per pregare sulla Sacra Sindone.
Ferdinando Caronesi rifece nel 1834 la facciata ispirandosi a quella juvarriana di Santa Cristina sull'altro lato di via Roma. Il sontuoso interno barocco, con cappelle ornate di sculture in marmo e stucchi, è stato recuperato grazie ai restauri ottocenteschi.