La Karlskirche — oficialmente la Iglesia de San Carlos — se eleva desde el extremo sur de la Karlsplatz como uno de los edificios arquitectónicamente más ambiciosos de toda Europa. El emperador Carlos VI la mandó construir en 1713 tras sobrevivir a la última y más devastadora epidemia de peste de Viena, pronunciando un voto público de erigir una iglesia dedicada a San Carlos Borromeo (1538–1584), el arzobispo de Milán que se había convertido en el santo patrón de los afectados por la peste gracias a su entregada asistencia a los moribundos durante la epidemia milanesa de la década de 1570. El hecho de que el santo y el emperador compartieran el nombre «Carlos» otorgó a la dedicatoria un significado aún más profundo. Johann Bernhard Fischer von Erlach ganó el concurso arquitectónico e inició las obras en 1716. Falleció en 1723 con la iglesia sin terminar; su hijo, Joseph Emanuel Fischer von Erlach, completó la construcción en 1737 con algunas modificaciones respecto a los planos originales.
El diseño es una deliberada confluencia de lenguajes simbólicos. El pórtico de entrada imita la fachada de un templo griego clásico, mientras que dos columnas exentas de 33 metros de altura —modeladas directamente sobre la Columna de Trajano de Roma— flanquean el portal. Estas columnas en espiral están revestidas de relieves continuos esculpidos por Lorenzo Mattielli que representan escenas de la vida de San Carlos Borromeo, y funcionan a la vez como símbolo de las Columnas de Hércules, evocando el alcance global del poder imperial de los Habsburgo. Por encima de todo, una cúpula oval de 72 metros domina el horizonte vienés —una forma elíptica que supuso un audaz desafío técnico para su época y que sigue siendo visualmente imponente hoy en día. El fresco de la cúpula interior fue pintado por Johann Michael Rottmayr entre 1725 y 1730, y representa la intercesión de San Carlos Borromeo cubriendo aproximadamente 1.000 metros cuadrados de superficie curva. Los retablos de las capillas laterales fueron obra de Daniel Gran, Sebastiano Ricci y Jakob van Schuppen —una selección de lo más granado de la pintura europea de principios del siglo XVIII.
Una de las experiencias más insólitas para el visitante en Viena es el ascensor panorámico instalado en el interior de la propia cúpula. Un moderno elevador de cristal y acero asciende por el interior de la cúpula, acercando a los visitantes hasta casi poder tocar los frescos de Rottmayr y conduciéndoles finalmente a una plataforma desde la que se contemplan vistas despejadas del Ringstrasse, la Staatsoper y los Alpes en los días claros. Es una oportunidad excepcional para estudiar la pintura al fresco barroca no desde 20 metros abajo, sino cara a cara. La iglesia también acoge conciertos regulares por las noches —Las Cuatro Estaciones de Vivaldi es un programa recurrente—, lo que la convierte tanto en sala de música en vivo como en lugar de culto.
La Karlskirche se encuentra junto al estanque reflectante del Resselpark, diseñado en el siglo XX para reflejar la fachada, y está a pocos pasos del Wien Museum y del Musikverein de Viena. La entrada al interior de la iglesia y al ascensor de la cúpula es de pago; se recomienda llegar temprano entre semana para evitar los grupos de turistas. La iglesia sigue siendo una parroquia católica romana activa, por lo que se ruega vestir con decoro y respetar los oficios religiosos en curso. Las líneas de metro U1, U2 y U4 confluyen en la estación de Karlsplatz, lo que facilita el acceso desde cualquier punto del centro de la ciudad.