La titolazione vera della chiesa è ai SS. Ambrogio e Carlo, i due principali patroni milanesi. Fin dal X secolo esisteva una chiesetta sul luogo del grande tempio odierno, che nel 1471 fu concessa ai Lombardi residenti a Roma da Sisto IV. I Lombardi (con il quale termine all'epoca si intendevano gli abitanti di larga parte della pianura Padana) andarono concentrando la loro presenza nella zona, e accanto alla chiesa, ricostruita, sorsero la sede di una arciconfraternita e un ospedale. Tra l'atro pare che la chiesa avesse affreschi di grande bellezza, opera di Perin del Vaga e Baldassarre Peruzzi; essa sopravvisse durante la costruzione del nuovo tempio, per finire demolita verso il 1672. Il nuovo tempio prese le mosse dalla canonizzazione di S. Carlo, avvenuta nel 1610, e nel 1612 iniziarono i lavori ad opera di Onorio Longhi, alla morte del quale proseguiti dal figlio Martino. Defunto anche questi nel 1634, seguì un interruzione dei lavori fino al 1665, quando furono ripresi da Pietro da Cortona, che progettò la cupola e l'abside, conclusi nel 1672. Infine la facciata, gigantesca ma vuota, con un aspetto scenografico che appare poco collegato al corpo retrostante dell'edificio, fu costruita tra il 1682 e il 1684 su progetto del cardinale Alessandro Omodei, ed è stata restaurata di recente. Dello stesso periodo sono i due edifici simmetrici ai lati della chiesa, che un tempo ospitavano la confraternita e l'ospedale. In ogni caso occorre dire che l'insieme doveva dare un maggior slancio alla facciata della chiesa quando ancora sulla destra non si era creato lo slargo sul Corso dovuto alle demolizioni per la realizzazione di piazza Augusto Imperatore (1934-1938). E' invece splendida la vista della cupola e dell'abside di Pietro da Cortona che si ha da questa piazza, e che in precedenza era nascosta dal fitto tessuto edilizio.Entrando nella chiesa, colpisce subito l'ampia spazialità dell'edificio a tre navate con cappelle laterali e volta a botte, e che inoltre, caso unico a Roma, si articola nel presbiterio in un deambulatorio, cioè un corridoio anulare che corre tutt'intorno all'abside, elemento architettonico proprio dell'architettura gotica e che qui è certo ripreso da quello del Duomo di Milano. La decorazione a stucchi della volta della navata centrale fu realizzata su disegno del Da Cortona e ricche decorazioni in stucco sono pure presenti nell'abside e nelle navate laterali. La pala d'altare fu realizzata da Carlo Maratta nel 1690, e rappresenta la Gloria di SS. Ambrogio e Carlo. Tutto l'insieme della decorazione interna della chiesa risulta di grande sontuosità e fasto, ed è certo uno dei più significativi dell'epoca tardo barocca in Roma, tanto che ancor oggi la chiesa è considerata, certo da un punto di vista molto "modano", come una delle più "eleganti" della città.

Di fronte alla chiesa l?hotel Plaza, un grande blocco stilisticamente tra eclettismo e liberty, risalente al 1905.