La chiesa ha origine nel 1612, in luogo della cappella dedicata ai Santi Filippo e Giacomo Apostoli di Alberto Schiatti, nell'attuale C.so Giovecca a ridosso dell'ospedale di Sant'Anna. Il progetto di San Carlo Borromeo è di Giovan Battista Aleotti, detto l'Argenta, la chiesa, terminata nel 1623 e che anticipa a Ferrara le tendenza dell'architettura barocca, seppur ancora molto influenzata da elementi propri del linguaggio classico, è considerata una delle opere migliori dell'artista; essa è dedicata all'arcivescovo della diocesi di Milano fatto Santo il 1 novembre 1610 da Papa Paolo V. Nel 1857, sotto il pontificato di Pio IX, la chiesa è stata completamente restaurata. Il fronte principale è parallelo a Corso Giovecca mentre i prospetti laterali sono in gran parte inglobati in costruzioni esistenti per lo più realizzate nei primi anni 30 del novecento. Nel 1612 parallelo al fianco est della chiesa di San Carlo vi era il sagrato della chiesa di Sant'Anna, luogo di culto interno all'ospedale e dismesso dalle sue funzioni nell'ottocento. Con il progetto dell'ing. Carlo Savonuzzi realizzato fra il 1933 e 1936, relativo a tutto il comparto compreso tra Borgo dei Leoni e l'attuale via Boldini, questo vuoto viene completamente negato e la chiesa si trova ad essere inserita in una galleria commerciale. La chiesa è tutt'oggi di proprietà dell'AUSL di Ferrara.
La chiesa è a pianta ellittica con due cappelle laterali, nel presbiterio è collocato l'altar maggiore e l'abside semicircolare contiene il coro ligneo. L'aula è caratterizzata da quattro grandi statue in stucco raffiguranti i Dottori: Agostino, Gregorio magno, Girolamo e Ambrogio di ignoto plastificatore veneto del XVIII sec. contenute in nicchie alternate da un ordine gigante di colonne. Tutti gli elementi architettonici quali colonne, trabeazioni, basamenti, nicchie sono in mattoni con uno strato sottile di intonaco superficiale e una finitura pittorica a finto marmo, gli altari delle cappelle laterali sono in legno anch'essi con una finitura a finto marmo, mentre l'altar maggiore è di marmo. Le pitture del soffitto, realizzate nel 1674, sono di Giuseppe Avanzi con la collaborazione di Giuseppe Menegatti per le quadrature, nell'ovale centrale è rappresentata la Vergine in gloria con S. Ambrogio (o S. Maurelio) e San Carlo Borromeo, mentre nella lunetta sopra il portale vi è una raffigurazione di San Carlo dipinta da Antonio Bonfanti detto il torricella allievo di Guido Reni.