Karlskirchen katedraali on ainutlaatuinen arkkitehtoninen uteliaisuus, sekoitus antiikin kreikkalaisia ja roomalaisia elementtejä sekä bysanttilaista, renessanssia ja barokkia. Habsburgien keisarillinen hovi valtuutti sen täyttämään uskonnollisen lupauksen, ja sen symboliset yksityiskohdat pyrkivät myös vahvistamaan Wienin historiallista vaatimusta kristikunnan ajallisena keskuksena.
1700-luvun alussa Keski-Eurooppaa koetteli viimeinen suuri mustan ruton epidemia. Pyhän saksalais—roomalaisen keisarikunnan keisari Kaarle VI teki lupauksen rakentaa kirkko omistettu St. Carlo Borromeo—kunnioitettu hoitaa Milanese rutto uhreja 16-luvulla, ja keisarin kaima-jos Kaupunki pelastui. Ruton mentyä ohi uudesta kirkosta ilmoitettiin virallisesti vuonna 1713.
kirkon on suunnitellut hoviarkkitehti Johann Bernard Fischer von Erlach, jonka barokkiarkkitehtuuri vaikutti ja muokkasi voimakkaasti Habsburgien valtakunnan makuja. Von Erlachin kunnianhimoisen suunnittelun keskipisteenä on antiikin kreikkalaista temppelityyliä edustava portiikki, jota reunustavat kaksi pylvästä, jotka on mallinnettu Trajanuksen Roomassa käyttämästä pylväästä. Kaksoispylväät viittaavat Salomon temppeliin sekä Herkuleen pylväisiin (Kaarle V: n Pyhää saksalais-roomalaista keisarikuntaa edustava symboli), ja ne muistuttavat yhdessä antiikin Pantheonia. Pylväissä on italialaisen kuvanveistäjän Lorenzo Mattiellin tekemiä reliefejä, ja ne kuvaavat kohtauksia Pyhän Borromeon elämästä. Kupu muistuttaa, että St. Pietarinkirkko, mutta on huomattavan erilainen siinä, että sen pohja on pitkänomainen ellipsoidi.
pääalttarilla on kohtaus, jossa kuvataan Pyhän Borromeon taivaaseenastumista. Veistosryhmän yläpuolella valonlähteen edessä on enkelien ja auringonsäteiden muodostama ympyrä, joka toistaa Pietarinkirkosta löydettyä samankaltaista mallia. Kupolin freskon maalasivat Johann Michael Rottmayr Salzburgista ja Gaetano Fanti Bolognasta, ja siinä on Pyhän Borromeon esirukous—jota Neitsyt Maria tukee—ja jossa pyydetään Pyhää Kolminaisuutta lopettamaan rutto Wienissä.