Nel 1667 Carlo Emanuele I di Savoia affida a Guarino Guarini, uno dei maggiori architetti del barocco piemontese, l'incarico di progettare una Cappella dove custodire la Santa Sindone. Guarini concepisce una struttura che sfida ogni canone architettonico e crea un fantastico effetto ottico. Sul corpo cilindrico preesistente, inserisce un volume nuovo, costituito da tre grandi archi inclinati verso l'interno e concepisce la cupola come una torre con sei livelli di archi sovrapposti, che convergono in una stella dove spicca la colomba dello Spirito santo.