Francesco Borromini costruì la chiesa di San Carlo alle Quattro Fontane tra il 1634 e il 1641, dando libero sfogo a tutto il suo talento. Il merito maggiore di San Carlino è che Borromini partì da due forti vincoli:

- Lo spazio piccolo e irregolare; infatti, la chiesa di San Carlino potrebbe entrare in uno dei quattro pilastri che sostengono la cupola della Basilica di San Pietro in Vaticano; da qui il detto popolare: 'San Pietro è bello per la sua grandezza, e San Carlino per la sua piccolezza'.
- I materiali usati per la costruzione dovevano essere poveri o, meglio, le risorse economiche erano scarse. L'intero edificio è stato costruito con mattoni pieni, intonacati e dipinti nella stessa gamma di colori, e il pavimento originale era in mattoni di terracotta. Le linee architettoniche tracciate da Borromini compensavano e, addirittura, superavano in bellezza la mancanza di ornamenti.

È quindi comprensibile che chi entra a San Carlino si immagini all'interno di una scultura sublime e si diletti ad ammirarne l'indicibile bellezza.

Borromini partì da una pianta a croce greca, con la sezione longitudinale più lunga, e sostituì le forme rettilinee con curve concave e convesse. Il pavimento originale della chiesa era fatto di mattoni di terracotta, che furono ricoperti nel 1898 con la pavimentazione in marmo che si può vedere oggi.

Il primo livello è costituito, nel più puro stile maderniano, da gigantesche colonne lisce, coronate da capitelli con foglie d'acanto, volute e raffigurazioni di melograni e allori, questi due ultimi simboli, rispettivamente, della Passione e della Vittoria.

Le colonne sono disposte in quattro serie di quattro colonne ciascuna, collocate sulle quattro concavità del perimetro della chiesa. In ognuna di queste serie, tra le colonne, si trova un portale centrale e delle nicchie, che rappresentano figurativamente quattro facciate che si affacciano all'interno della chiesa.

Il secondo livello della struttura si trova tra il cornicione sostenuto dalle colonne e la cupola. Si tratta indubbiamente del livello più difficile dal punto di vista tecnico, poiché la cupola ellittica deve inserirsi nella sinuosa pianta della chiesa.

Borromini realizzò questa impresa architettonica utilizzando quattro archi laterali e, dietro di essi, quattro absidi, ornate da soffitti a cassettoni e rosoni e con un frontone alla base. È da notare che le due absidi laterali sono leggermente appiattite, anche se questa alterazione è appena percettibile a causa dello scorcio dei cassettoni.

Per sostenere la cupola e creare bellezza architettonica, Borromini ricorse alla torsione dei due archi laterali che scendono verso la base.

I pennacchi sono ornati da medaglioni con immagini in rilievo della vita di San Giovanni de Matha, fondatore dell'Ordine Trinitario. Questi medaglioni sono delimitati da volti di cherubini alati, così caratteristici dello stile borrominiano.

Il terzo livello corrisponde interamente alla cupola ellittica della chiesa, impreziosita da una grande lanterna al suo apice. Alla base, la cupola è ornata da una corona d'alloro e da una corona nobiliare. Alla sommità, appare in rilievo la figura della colomba dello Spirito Santo. In questo modo, la vittoria e la regalità sono simboleggiate alla base e la gloria alla sommità.

Il resto della cupola è ornato da figure geometriche in rilievo, tra cui spicca la croce greca, tipica dell'iconografia dell'Ordine Trinitario. La lanterna e le due finestre alla base della cupola illuminano l'intera chiesa.

L'illuminazione di San Carlino è fortemente condizionata dall'intensità della luce solare. La luce zenitale è diffusa o profusa a seconda del suo riflesso sulle pareti della chiesa, che sono morbide e di colore uniforme.

L'altare maggiore è presieduto da un bellissimo affresco raffigurante San Carlo Borromeo, cardinale italiano del XVI secolo, a cui è dedicata la chiesa, e i fondatori dell'Ordine Trinitario, San Giovanni de Matha e San Felice di Valois, in adorazione della Santissima Trinità, opera di Pierre Mignard.

Sugli altari laterali si trovano due grandi tele corrispondenti all'"Estasi di San Giovanni Battista della Concezione", opera di Prospero Mallerini, e all'"Estasi di San Michele dei Santi", opera di Amalia de Angelis. Sotto l'altare si trova l'urna con i resti della Beata Isabel Canori Mora, madre di famiglia e Terziaria Trinitaria.

A sinistra dell'altare maggiore si trova la cappella della famiglia Barberini, che si riconosce dallo stemma con le tre api tipiche di questa nobile famiglia romana. Questa cappella è presieduta dal dipinto Riposo della Sacra Famiglia in Egitto, di Giovan Francesco Romanelli (1610-1662). Dal 1994 dedicata alla Beata Elisabetta Canori Mora che vi riposa nel suo sacello.