La facciata della chiesa, risalente al 1743 e progettata da Enrico Pini, si presenta su due ordini, con capitelli che riprendono motivi floreali; sono presenti inoltre tra nicchie, al cui interno sono poste, ai lati, le statue di San Liborio (a destra) e di Sant'Alessandro Sauli (a sinistra), diventate nel corso dell'Ottocento, per rispetto della tradizione agostiniana, San Tommaso di Villanova (a destra) e Sant'Agostino (a sinistra), come indicano i nomi alla base; all'interno della nicchia centrale vi è la statua di San Carlo.

L'interno è a croce latina, con tre cappelle laterali; le cappelle centrali son più alte e larghe di quelle ai margini. Le opere principali della chiesa sono: il ciclo di dipinti sulla Vita di San Carlo di Antonio De Bellis, l'Immacolata e Santi di Giuseppe Simonelli, il San Carlo in estasi davanti alla croce nel coro, firmato da Fede Galizia del 1611, e le due acquasantiere in marmi policromi del Seicento.

Nel palazzo a destra della chiesa, un tempo parte del collegio così come diversi edifici attigui, sono conservati i resti del giardino e del chiostro barocco.