La Chiesa di San Carlo si apre sulla via omonima ed è parte dell’isolato che comprende il palazzo del Collegio e il palazzo dell’Università. Quando il Collegio San Carlo, o Collegio dei Nobili, fondato nel 1626, acquistò la Casa Molza situata all’angolo fra le attuali vie Emilia e San Carlo, i padri della Congregazione della B. Vergine e di S. Carlo che ne guidavano le attività aprirono, accanto al palazzo, un oratorio: ne possiamo immaginare le forme nell’attuale navata sinistra della chiesa.
La chiesa attuale, di forme barocche, fu disegnata dall’architetto ducale Bartolomeo Avanzini sulla falsariga della chiesa di San Carlo ai Catinari a Roma ma né Avanzini né il suo successore nella fabbrica, l’architetto e scenografo Gaspare Vigarani, riuscirono a vederla. Il cantiere fu ereditato da un capomastro lombardo, Giovan Pietro Piazza, e la prima pietra posata nel 1661; la chiesa fu aperta al culto nel 1676 anche se mancava ancora tutta la zona absidale, realizzata negli anni ottanta del Seicento.
La facciata in mattoni, con cornici in marmo settecentesche, evidenzia la scansione interna a tre navate ma non lascia presagire la luminosità e la ricchezza dell’ambiente interno.
All’interno lo sviluppo longitudinale delle navate, sulle quali si aprono tre altari per lato, è interrotto e arricchito da un braccio trasversale all’altezza delle seconde cappelle laterali. All’intersezione dei bracci a tutta altezza si alza una falsacupola, a sesto ribassato, illuminata da oculi ovali impreziositi da stucchi. L’alternarsi di zone d’ombra, corrispondenti alle prime e terze cappelle laterali, e zone di luce, corrispondenti alle seconde cappelle o “altari maggiori laterali”, guida l’occhio verso la zona absidale dove si dispiega una imponente decorazione in stucco, legno e tela, disegnata e messa in opera da Antonio Traeri detto il Cestellino negli ultimi anni del Seicento. Vi è rappresentato il Trionfo della Fede; in una cornice circondata dal tripudio di figure e decorazioni trova posto l’ampia tela che raffigura San Carlo che intercede presso la Madonna contro la peste, dipinta nel 1700 dal bolognese Marcantonio Franceschini. Questo dipinto fa da contrappunto all’altra tela presente in controfacciata, rappresentante San Carlo fra gli appestati, opera di Sigismondo Caula, compiuta entro il 1675.
Nel 1770 la cupola provvisoria, alzata all’intersezione dei bracci, crollò e al suo posto fu impostata l’attuale; nell’ambito dei lavori di ristrutturazione della chiesa avviati in questa occasione fu arricchita la decorazione a stucco, ornate le cornici delle finestre e completate le decorazioni delle quattro tribune trasversali presenti nelle navate laterali.
Gli altari, interamente in marmo, furono arredati negli anni Ottanta del Seicento ad eccezione del terzo altare a sinistra, dedicato a San Filippo Neri, risalente alla metà del Settecento, e del primo a destra, di forme ottocentesche come l’attuale altare maggiore. Le pale d’altare furono compiute dai più celebri maestri della pittura modenese dei diversi secoli: troviamo l’Assunzione della Vergine, di mano di Francesco Stringa (1670 ca), nel secondo altare a destra, accanto ad una pala del francese Olivier Dauphin, attivo anche a Sassuolo; il Settecento è rappresentato da due dipinti di Francesco Vellani nel secondo e terzo altare a sinistra mentre all’ottocentesco Adeodato Malatesta si deve lo Sposalizio mistico di santa Caterina, nel primo altare a sinistra.