Carlo Maderno, der zu den einflussreichsten Architekten des italienischen Frühbarock zählt, kommt im Jahr 1556 in Capolago im Schweizer Kanton Tessin als Sohn einer Künstlerfamilie zur Welt. Seine Karriere beginnt in Rom, wo Carlo Maderno ab 1576 weilt. Er geht bei einem Bildhauer und Stuckateur in die Lehre und arbeitet als Assistent seines Onkels Domenico Fontana, einem Architekten. 1588 wird er römischer Bürger.
Erst ab 1592 tritt Carlo Maderno auch als Architekt in Erscheinung, 1594 übernimmt er das Atelier seines Onkels. 1597 erhält Carlo Maderno dann seinen ersten umfassenden eigenen Auftrag: Die Fassadengestaltung der römischen Kirche Santa Susanna. Dieses 1603 fertiggestellte Projekt, bei dem Carlo Maderno Anregungen von Giacomo della Porta weiterentwickelt, empfiehlt ihn 1603 als Bauleiter für den Petersdom.
Seine Neuerungen haben Kunstgeschichte geschrieben: Carlo Maderno erweitert den Bau, um ihn den Bedürfnissen der sogenannten Gegenreformation anzupassen. Der Grundriss eines griechischen Kreuzes, den Michelangelo erdacht hat, wird so in einen klassischen Longitudinalbau verwandelt. Auch die Fassade von St. Peter wird durch Carlo Maderno maßgeblich verändert.
Die Baukunst von Carlo Maderno wird durch eigene Handzeichnungen vorbereitet und durch Druckgrafiken Dritter begleitet und popularisiert. Carlo Maderno selbst ist ein visionärer Architekt, der jedoch zumeist Bauten anderer vervollständigt, ergänzt oder verändert. Oft arbeitet er auf den Baustellen, die Francesco Capriani da Volterra nach seinem Tod unvollendet hinterlassen hat. Nur ein einziges Bauwerk kann Carlo Maderno in seiner Laufbahn wenigstens annähernd komplett planen und ausführen: Santa Maria della Vittoria. Die Bauarbeiten umspannen die Jahre 1608 bis 1620. Die Fassade wird hier jedoch erst 1630 von Soria angefügt.
Carlo Maderno führt auch den Palazzo Barberini aus, sein letztes Meisterwerk (ab 1625), das von zwei Künstlern vollendet wird, die von Carlo Madernos Oeuvre maßgeblich beeinflusst werden: von seinem Großneffen Francesco Borromini und Gian Lorenzo Bernini.
1629 verstirbt Carlo Maderno in seiner Wahlheimat Rom.