La catedral de Karlskirche es una curiosidad arquitectónica única, una mezcla de elementos griegos y romanos antiguos con estilos bizantino, Renacentista y barroco. Encargado por la Corte Imperial de los Habsburgo para cumplir un voto religioso, sus detalles simbólicos también buscaban reforzar la reivindicación histórica de Viena como centro temporal de la Cristiandad.
A principios del siglo XVIII, Europa Central se vio afectada por el último gran brote de la Peste Negra. El emperador del Sacro Imperio Romano Germánico Carlos VI hizo el voto de construir una iglesia dedicada a San Carlo Borromeo, venerado por atender a las víctimas de la peste milanesa en el siglo XVI, y al homónimo del emperador, si la ciudad se salvaba. Después de que la peste pasara, la nueva iglesia fue anunciada oficialmente en 1713.
La iglesia fue diseñada por el arquitecto de la corte Johann Bernard Fischer von Erlach, cuya arquitectura barroca influyó profundamente y dio forma a los gustos del Imperio de los Habsburgo. El ambicioso diseño de Von Erlach se centra en torno a un pórtico en el estilo del Antiguo templo griego, flanqueado por dos columnas inspiradas en la Columna de Trajano en Roma. Las columnas gemelas hacen referencia al Templo de Salomón, así como a los Pilares de Hércules (un símbolo adoptado por Carlos V para representar el Sacro Imperio Romano Germánico), y en conjunto recuerdan al Panteón de la antigüedad. Las columnas cuentan con relieves elaborados por el escultor italiano Lorenzo Mattielli, y representan escenas de la vida de San Borromeo. La cúpula recuerda la de San La Basílica de Pedro, pero es notablemente diferente en que la base es un elipsoide alargado.
En el altar mayor, una escena retrata la ascensión de San Borromeo. Por encima del grupo de esculturas, un círculo de ángeles y rayos de sol está dispuesto frente a una fuente de luz, haciendo eco de un diseño similar que se encuentra en la Basílica de San Pedro. El fresco de la cúpula fue pintado por Johann Michael Rottmayr de Salzburgo y Gaetano Fanti de Bolonia, y muestra una intercesión de San Borromeo, apoyado por la Virgen María, suplicando a la Santísima Trinidad que pusiera fin a la peste en Viena.