La façade en travertin est réalisée entre 1635 et 1638 sur un projet de Giovanni Battista Soria.
Elle se compose de deux étages de huit pilastres. L'église s'ouvre sur une grande porte, flanquée de deux petites portes. Sur la partie supérieure, se trouve un balcon flanqué deux fenêtres. La façade est couronnée par un tympan portant les armoiries du cardinal Leni.
Le couvent des Barnabites, de style baroque tardif, est contigu à l'église
D'après Pérouse de Montclos, in l'architecture française, de la Renaissance à la révolution, San Carlo ai catinari a influencé Lemercier dans le dessin de la façade sur rue de l'église de la Sorbonne (1635)