Francesco Borromini costruì un chiostro a San Carlino nell'ampio spazio tra l'edificio conventuale e la strada pubblica. Per la sua costruzione si ispirò ai tipici atri delle antiche case romane, con un pozzo al centro del chiostro per raccogliere l'acqua piovana.

Il chiostro è a pianta rettangolare, anche se gli angoli sono stati sostituiti da curve convesse, e presenta un doppio livello di elevazione.

Il primo livello è costituito da coppie di colonne tuscaniche, che sostengono una serliana che corre intorno e racchiude l'intero perimetro del chiostro. La galleria interna del primo livello è coperta da una volta a botte continua, che incrocia sottilmente, senza spigoli, le altre volte più corte che partono perpendicolarmente dagli archi della serliana.

Anche il livello superiore è costituito da coppie di colonne tuscaniche, in linea con quelle del livello inferiore, ma più piccole in sezione e altezza, dando così al chiostro una sensazione ottica di maggiore elevazione. Le colonne di questo secondo livello sono coronate da capitelli ottagonali, che sostengono una struttura architravata che corre lungo tutto il perimetro del chiostro in linea retta. Nella balaustra di questo secondo livello, chiaramente barocca, colpisce l'alternanza di balaustre dritte e rovesciate del parapetto.