Prima del XVII secolo questa zona si trovava appena all'esterno della prima cinta muraria, quella di origine romana e conservatasi sino ad allora. Al trasferimento della capitale del Ducato di Savoia nel capoluogo piemontese nel 1563, fu deciso di espandere la città verso sud, realizzando il cosiddetto "Borgo Nuovo". Tuttavia, l'idea iniziò a concretizzarsi soltanto nel 1617, quando fu chiamato l'architetto Carlo di Castellamonte a progettare sia la Contrada Nuova (l'attuale via Roma) che questa piazza.

I lavori per la piazza iniziarono nel 1618 e terminarono nel 1638, con l'inaugurazione da parte di Madama Cristina di Francia, vedova di Vittorio Amedeo I, col nome di "Piazza Reale" o, in francese, "Place Royale"; tuttavia, i portici perimetrali furono costruiti soltanto nel periodo 1643-1646. La piazza ebbe, in questo periodo, funzioni sia di area mercatale che di rappresentanza nobiliare.

Dopo il 1650 circa, la piazza perse gradualmente funzioni di rappresentanza, per acquisire funzioni di passaggio degli eserciti da piazza Castello verso il mastio della Cittadella, e di relativi raduni militari, tanto da essere rinominata piazza d'Armi. Questo almeno fin circa alla metà del XVIII secolo, quando la piazza d'Armi militare fu spostata nell'attuale piazza Vittorio. Durante l'assedio militare di Torino del 1706 la piazza fu colpita da almeno tre colpi di cannone, poi immortalati da tre palle ancora visibili conficcate nei muri esterni: una sopra un'arcata del palazzo Solaro del Borgo, due ai bordi delle finestre dei piani alti sopra il bar Mokita, quasi angolo via Alfieri.

Con l'abbandono della piazza per l'uso militare, furono eseguiti nuovi interventi di abbellimento dei portici da parte di Benedetto Alfieri, soprattutto il rinforzo dei pilastri nel 1764 per garantire la stabilità degli edifici sovrastanti. Verso la fine del XVIII secolo la piazza assunse l'attuale aspetto elegante e fu titolata come la chiesa "gemella" occidentale, ovvero dedicata a San Carlo Borromeo. Torino, infatti, ebbe - e ha tuttora - una particolare devozione per l'Arcivescovo, che nel lontano autunno 1578 volle fare un pellegrinaggio a piedi da Milano per venerare la Santa Sindone. Fu per tal motivo che l'allora duca Emanuele Filiberto di Savoia fece portare il Sacro Lino da Chambéry, per accorciargli il viaggio. L'evento è ricordato anche in un piccolo dipinto esterno della Sindone affacciato sulla piazza, quasi nascosto, all'angolo di via Alfieri. Nel corso dell'occupazione napoleonica della capitale sabauda (1800-1814) la piazza prese il nome temporaneo di place Napoléon[1].

Le due chiese "gemelle", presenti sul lato meridionale della piazza, in realtà non sono "gemelle": è più corretto dire che si sono "copiate" a vicenda nel tempo, in ordine cronologico:

  Lo stesso argomento in dettaglio: Monumento a Emanuele Filiberto di Savoia.

Il 4 novembre 1838, giorno della festività di San Carlo Borromeo, venne poi inaugurato il monumento a Emanuele Filiberto di Savoia, opera di Carlo Marochetti, che prima di essere eretto in piazza San Carlo era stato ammirato al museo del Louvre. Il monumento, che durante la guerra venne protetto da ingombranti strutture in legno per ripararlo dalle bombe, si presenta oggi alla città sabauda dopo un lungo restauro, terminato nell'ottobre 2007. Popolarmente noto in piemontese come Caval ëd Bronz (AFI: [ka'val əd brʊŋz]), in pochi sanno che, pur raffigurando un guerriero, il monumento simboleggia la pace: il cavallo è infatti trattenuto dalle redini e il cavaliere, anziché sguainarla, infodera la spada.

In questa piazza, il 21 settembre 1864, si verificò uno dei più tragici eventi della storia di Torino, che in quei giorni aveva subìto la clausola (richiesta dalla Francia) del trasferimento della capitale d'Italia a Firenze. I torinesi scesero pacificamente in piazza per protestare contro la decisione del governo Minghetti, ma le forze pubbliche furono esageratamente spietate nel reprimere la protesta: secondo alcune fonti, rimasero a terra 184 persone[2]. Il 24 settembre Minghetti fu costretto alle dimissioni, ma la scelta di abbandonare la città era ormai presa, concretizzandosi nel 1865.

Con la decisione di rifare completamente via Roma, tra il 1931 e il 1937 il lato settentrionale della piazza subì una massiccia ristrutturazione, così come la vicina Galleria San Federico (all'epoca chiamata Galleria Geisser), nel porticato su via Santa Teresa.

Negli anni sessanta del XX secolo poi, fu realizzata l'illuminazione coi caratteristici "lampioni impero con braccio a cornucopia", ancora presenti. Tuttavia l'uso della piazza a continuo passaggio del traffico automobilistico portò la stessa a un lento degrado, con frequenti interventi di pulizia e di restauro dei monumenti.

Nel 1998, in previsione degli eventi turistici relativi ai XX Giochi olimpici invernali del 2006, fu avviato un cantiere di importante riqualificazione della piazza, terminato nel 2004 con la conversione della stessa a isola pedonale, provvista dell'attuale pavimentazione in porfido. Contestualmente, vi fu la realizzazione di un parcheggio sotterraneo (che va ad unirsi al vasto sistema sotterraneo di via Roma), dove furono anche rinvenuti reperti di epoca romana e resti di un ponte risalente all'epoca di Emanuele Filiberto.[3] Fu anche scoperto un tratto di un rifugio antiaereo della seconda guerra mondiale.

Negli anni più recenti la piazza è stata anche oggetto di un intervento denominato "Laboratorio in piazza", dotata di tecnologie proprie delle smart city, come il Wi-Fi, e un'illuminazione intelligente, regolata in base ai parametri astronomici, a quelli di luminosità e alla presenza delle persone[4]. Inoltre vi è stato installato un sistema di videosorveglianza[4].