L'edificio costituisce un problema attributivo importante poiché il risultato finale è decisamente composito e darebbe un termine temporale alquanto anticipato per l'arrivo del Neoclassicismo in Sardegna ad opera degli stessi importatori del Rococò piemontese. Un documento dell'Archivio di Stato di Cagliari accerta che nel 1738 l'ingegnere militare Augusto Della Vallea, che lavorava in quel momento al nuovo assetto urbano di Carloforte, costruì anche la chiesa. Non doveva trattarsi certamente dell'attuale parrocchiale in quanto in un disegno del 1741, indicante la planimetria generale con l'indice delle case principali, si legge nell'elenco dei lotti al punto 11: ''sito in cui deve farsi la chiesa''. Quindi a questa data la chiesa di San Carlo ancora non esisteva ed è difficile stabilire a quale edificio si facesse riferimento nel dispaccio del 1738: se a una cappella provvisoria o, più probabilmente, alla chiesa dei Novelli Innocenti. Sarebbe da scartare anche l'ipotesi di una realizzazione successiva su disegni lasciati dal Della Vallea perché ciò significherebbe ammettere che una personalità come la sua, così permeata di cultura tardobarocca, abbia adottato per la facciata uno schema tanto aderente al modello neoclassico da rappresentare un'impensabile precorrimento stilistico, arduo a questa data. Alcuni dati stilistici rimandano al Palazzo dell'Università di Cagliari offrendo fondati motivi per l'attribuzione al medesimo progettista, l'ingegnere Saverio Belgrano di Famolasco, che, durante il suo periodo di permanenza in Sardegna, tra il 1761 e il 1769, è presente a più riprese a Carloforte per opere di sistemazione urbanistica e di fortificazione. La chiesa viene riaperta al culto nel 1775, sei anni dopo il rientro a Torino del Belgrano. Le incongruenze stilistiche indicano una possibile alterazione del progetto in assenza dell'autore e in realtà, attraverso documenti d'archivio, riguardanti l'attività in Sardegna di un altro ingegnere militare, Francesco Daristo, la parrocchiale di San Carlo è stata compresa tra le opere da lui realizzate con la data del 1773. La facciata ha un coronamento a timpano ed è suddivisa in due ordini da una trabeazione aggettante, compartita da sobrie paraste che inquadrano il portale e il rosone. L'interno, a navata unica con tre cappelle per lato, è coperto da volta a botte ed è percorso da una robusta e aggettante trabeazione che corona l'ordine corinzio. L'elemento più vicino all'estetica barocca è l'originale campanile, sfalsato rispetto alla facciata.