Собор Карлскирхе представляет собой уникальную архитектурную редкость, смесь древнегреческих и римских элементов с византийским, ренессансным и барочным стилями. Созданные по заказу императорского двора Габсбургов для исполнения религиозного обета, его символические детали также стремились поддержать исторические претензии Вены на статус светского центра христианского мира.
В начале 18 века в Центральной Европе произошла последняя крупная вспышка чумы. Император Священной Римской империи Карл VI дал обет построить церковь, посвященную Святому Карло Борромео, почитаемому за помощь жертвам миланской чумы в 16 веке и тезке императора, если город будет спасен. После того, как чума прошла, в 1713 году было официально объявлено о создании новой церкви.
Церковь была спроектирована придворным архитектором Иоганном Бернардом Фишером фон Эрлахом, чья архитектура в стиле барокко оказала глубокое влияние и сформировала вкусы империи Габсбургов. Амбициозный дизайн фон Эрлаха сосредоточен вокруг портика в стиле древнегреческого храма, окруженного двумя колоннами, созданными по образцу колонны Траяна в Риме. Двойные колонны ссылаются на Храм Соломона, а также на Геркулесовы столбы (символ, принятый Карлом V для обозначения Священной Римской империи), и вместе они напоминают Пантеон древности. Колонны украшены рельефами работы итальянского скульптора Лоренцо Маттиелли и изображают сцены из жизни святого Борромео. Купол напоминает купол базилики Святого Петра, но заметно отличается тем, что его основание представляет собой удлиненный эллипсоид.
У главного алтаря сцена изображает вознесение святого Борромео. Над скульптурной группой круг ангелов и солнечных лучей выстраивается перед источником света, перекликаясь с аналогичным рисунком, найденным в соборе Св. Базилика Святого Петра. Фреска купола была написана Иоганном Михаэлем Роттмайром из Зальцбурга и Гаэтано Фанти из Болоньи и изображает заступничество святого Борромео, поддержанного Девой Марией, умоляющего Святую Троицу положить конец чуме в Вене.