Della chiesa si puo ritenere fondatore il carmelitano scalzo P. Agatangelo di Gesù e Maria (Gio. Agostino Spinola di Aurelio), che ne fu benefattore; comprò il terreno dell’Abbazia di S. Antonio di Prè costruì la chiesa a proprie spese, ad eccezione del coro che fu costruito da Giambattista Adorno. Architetto della chiesa fu il celebre Bartolomeo Bianco; con lui fu stipulato il contratto l’8 agosto 1629. Nonostante i dissidi sopravvenuti tra i Carmelitani e il Bianco, i lavori proseguirono e la chiesa fu inaugurata il 4 novembre 1635.
La chiesa è a croce latina ad una sola grande navata con sei cappelle riccamente adorne di statue e quadri di vari artisti. Le decorazioni dell’ampia navata e della parte absidale furono eseguite dal 1890 al 1898 sotto la guida di Maurizio Dufour, personaggio dotato di rara perizia nelle arti belle; a lui fu eretto un busto all’inizio della scala sinistra d’accesso alla chiesa.
Il sontuoso altar maggiore, opera, secondo il Ratti, di uno scultore lombardo Casella, al quale era stato commissionato dai Sauli per la chiesa di S. Domenico, mediante un cambio, scrive il Labo, nel 1867 fu ottenuto per la chiesa di S. Carlo.
La statua marmorea, che sta all’inizio della scala destra d’accesso alla chiesa, opera di Gio. Giacomo Paracca detto il Valsoldo, rappresenta quel Gio. Agostino Centurione fu Daniele che fu Commendatario in S. Vittore e benemerito del clero Genovese.

La chiesa fu, dall’inizio, officiata dai Carmelitani scalzi.

Nel 1798 veniva soppresso il convento per decreto della Repubblica Ligure e allontanati i Carmelitani; la chiesa si riapriva nel 1799 per diventare sede parrocchiale in cambio di S. Vittore destinata alla demolizione per l’apertura di Via Carlo Alberto.

La cura della chiesa passo al clero secolare.

Ma nel 1847 tornarono i Carmelitani richiamati dall’Arcivescovo P. M. Tadini anche per interessamento del conte Clemente Solaro Della Margherita.

Anche la statua lignea della Madonna col Bambino, venerata col titolo di N.S. della Fortuna, che in S. Vittore era stata incoronata il 17 gennaio 1637, primo anniversario del suo ritrovamento, fu trasferita in S. Carlo nel 1799.

E’ giustamente famosa la cappella funebre dei Franzone, commissionata da Agostino il 6 maggio 1677 al “marmararo” Gio. Batta Casella secondo disegno ottenuto decine d’anni prima dall’abile scultore e architetto bolognese Alessandro Algardi (+ 1654) e destinata ad accogliere il grande Crocifisso in bronzo dello stesso Algardi. Nell’ultima guerra due bombardamenti del maggio 1944 produssero alla chiesa danni considerevoli.

La chiesa fu consacrata il 9 giugno 1962 dal card. Giuseppe Siri arcivescovo, che nel gennaio 1974 ne affidava la cura alla Fraternità della Santissima Vergine Maria

Una polena sui generis è la statua lignea raffigurante N.S. della Fortuna, oggi sull’Altar Maggiore della chiesa di San Carlo in via Balbi a Genova. La storia di questa miracolosa scultura risale al 1636 quando, il 17 gennaio, nel porto della Città si abbatté una furiosa bufera che imperversò per ore e flagellò le navi ivi ancorate.

Il giorno dopo, nello scempio di rottami che affollavano le acque, un solo oggetto si presentò intatto agli occhi attoniti dei Genovesi: era una grande statua rappresentante una veneranda Signora, in una mano un Rosario e in collo un Bimbo che sorreggeva un piccolo globo.

La settecentesca Narrazione Storica di don Lorenzo Zignago, insieme con gli atti dei processi e la vasta documentazione bibliografica dell’epoca, attestano come la statua fosse la polena di una nave irlandese d’alto bordo, ancorata nel porto. Distrutta la nave, la statua fu, dalla violenza dei marosi, sbalzata sul ponte detto dei Chiavarii, poi scagliata nuovamente sul Molo vecchio e di là deposta intatta nelle calme acque della Darsena, avendo miracolosamente superato l’ostacolo rappresentato da un galeone che ostruiva la bocca della Darsena.

Dopo alterne trattative, la statua, insieme con ciò che restava della nave irlandese, fu acquistata da due marinai che la collocarono nei fondi di un edificio appartenente alla famiglia Lomellini. E lì avvenne il primo miracolo: una bimba, caduta da una finestra di un piano alto del caseggiato, toccò illesa il suolo, affermando di essere stata accolta tra le braccia e deposta incolume a terra, dalla grande Signora vestita di azzurro che si trovava nel magazzino.

La fama del prodigio si diffuse per la città e la popolazione chiese che un luogo sacro accogliesse la statua, di cui fu decisa la collocazione nella vicina chiesa medievale di S. Vittore: il trasferimento avvenne nel corso di una solenne processione e, all’arrivo nel tempio, mentre i portatori si accingevano a collocare la statua nella sua nicchia, questa si mosse da sé e si posò sul piedistallo, tra la meraviglia e la devozione dei presenti.