La chiesa di Santa Maria al Carrobiolo fu edificata nel Cinquecento come chiesa annessa all'attiguo convento dei Barnabiti tuttora esistente, e conserva al suo interno notevoli opere di epoca manierista.
L'interno mantiene l'impianto medievale, a tre navate, con abside piatta e due cappelle in testa alle navate minori. La volta a botte probabilmente risale agli anni precedenti la riconsacrazione di San Carlo. Le decorazioni pittoriche furono volute dal barnabita Invenzio Montalti, e realizzate da Andrea Porta (1707-1709), per le figure, e dai fratelli varesotti Giovanni Battista e Gerolamo Grandi, per le quadrature architettoniche. Costituisce un armonioso esempio di barocchetto lombardo, raffigurante la glorificazione della Vergine e di Sant'Agata.
Il piemontese Guglielmo Caccia detto il Moncalvo, che intorno al 1619 lavorava al Duomo di Monza, è qui presente con due dipinti: l'Adorazione dei Magi, nella prima campata, e l'Adorazione dei pastori nella quarta campata della navata destra, originariamente dipinte per l'altare maggiore. Nella terza campata destra la porta d'ingresso al monastero, sormontata da una lapide che ricorda la consacrazione della chiesa ad opera di San Carlo. Di Giovanni Antonio Cucchi sono gli Angeli e l'ovale con San Carlo in preghiera (1762) intorno alla porta di accesso al convento.
Nella navata laterale sinistra, la terza campata corrisponde alla Cappella dell'Addolorata (ridipinta nel 1926 da Luigi Morgari) che contiene un notevole Crocefisso del XVI secolo, attribuito all'intagliatore Battista da Saronno, e la statua in legno policromo dell'Addolorata, opera del XVII secolo. Di Simone Peterzano si conserva la Sacra Conversazione o Madonna del latte. La figura centrale della Vergine che allatta il bambino, con san Giovannino che le offre della frutta, è attorniata da santi in rigida posa accademica, mentre una veduta dalla finestra dietro le spalle delle figure conferisce maggiore respiro alla scena. Lo Sposalizio della Vergine è opera di Riccardo de’ Tavolini (1608-1678), pittore scarsamente noto.
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