En 1719, el Maestre de Campo Fernando de Lisperguer y Aguirre hizo levantar una capilla en su Hacienda de San Carlos. La construcción de la iglesia actual comenzó en 1801, y fue consagrada en 1854. Esta iglesia, la de mayor tamaño en los Valles Calchaquíes y la única allí con crucero y cúpula, muestra la importancia que tuvo en su momento la región: San Carlos llegó a disputar a la ciudad de Salta el honor de ser capital de la provincia.

La aparición de elementos estilísticos europeizantes evidencia la voluntad de diferenciar y exaltar el edificio de la iglesia. Temblores producidos en 1930 resintieron el techo original, abovedado, lo que obligó a reemplazarlo por cabriadas y chapas de zinc; quedó así alterada la calidad espacial de la nave única, de gruesos muros portantes de adobe. Los brazos del crucero y la cabecera conservan las bóvedas armadas sobre vigas de madera, apoyadas en arcos de medio punto. El fondo del ábside está cubierto por un retablo de albañilería, según lo acostumbrado en todo el Valle. Una notable imaginería popular de estilo hispánico enriquece los altares. En la fachada, los luminosos planos de las torres contrastan con las sombras del gran arco cobijo superior y el pórtico de acceso, caracterizado por las columnas que, rotadas respecto al plano general, sostienen tres arcos de medio punto.