1555/1556 Capolago, 31.1.1629 Rom, katholisch, von Capolago, ab 1588 Bürger von Rom. Sohn des Paolo und der Caterina Fontana. Neffe von Domenico Fontana. 1) um 1598 Elisabetta Mariottini, 2) 1603 Angela Calina, 3) 1621 Elisabetta Malucci. Um 1576 zog Carlo Maderno nach Rom, wo er bei seinen Onkeln Domenico und Giovanni Fontana arbeitete, zuerst wahrscheinlich als Stuckateur und Steinmetz, später als Architekt und Ingenieur. Mit ihnen stellte er 1586-1589 die Obelisken auf dem Petersplatz, vor Santa Maria Maggiore, San Giovanni in Laterano und auf der Piazza del Popolo auf und beteiligte sich 1591 am Bau des Vatikanpalasts und an Wasserbauwerken. Obschon er in Rom wirkte, hielt er die Verbindungen zu seiner Heimat aufrecht: 1581 stiftete er die Familienkapelle in der Pfarrkirche Capolago.
Nachdem Fontana 1594 endgültig nach Neapel gezogen war, übernahm Maderno die Leitung von dessen Bauunternehmen und führte mehrere Werke zu Ende, die Francesco Capriani da Volterra unvollendet hinterlassen hatte (zum Teil Aufträge des Kardinals Antonio Maria Salviati). Schon vor dem Tod des Architekten Giacomo della Porta (1602) übernahm er mehrere von dessen Projekten, unter anderem San Giovanni dei Fiorentini (1608-1621). Für den Kardinal Girolamo Rusticucci schuf er sein bekanntestes und innovativstes Werk: die Fassade von Santa Susanna (1597-1603). Sie erinnert an den manieristischen Stil der von della Porta entworfenen Chiesa del Gesù, kündet aber mit ihren vorspringenden Elementen und dem dadurch erzeugten Licht- und Schattenspiel schon den Barock an. Für die Familie Aldobrandini beendete Maderno 1603-1621 die Villa in Frascati (mit Wasserspiel) und 1606-ca. 1609 die Familienkapelle in Santa Maria sopra Minerva.
Sein bedeutendstes Werk war die Vollendung des Petersdoms im Vatikan unter Paul V. Nach seiner Ernennung zum Architekten von St. Peter 1603 gewann er 1607 den Wettbewerb für den Neubau. Er liess die Reste der frühchristlichen Basilika abreissen, errichtete 1607-1625 die Fassade, änderte 1609-1614 den Plan Michelangelos mit Zentralbau, indem er ein Langhaus einfügte, und baute 1615-1616 den Beichtstuhl vor dem Hauptaltar. Nach seinen Plänen wurden 1608-ca.1612 auch Santa Maria della Vittoria, 1611-1614 die Kapelle Rivaldi in Santa Maria della Pace und 1608-ca.1620 Schiff, Querhaus, Chor, Tambour und Kuppel von Sant'Andrea alla Valle gebaut. Maderno schuf auch Profanbauten: 1598-1617 die Paläste Mattei und ab 1628 Barberini (von Gian Lorenzo Bernini und Francesco Borromini fertiggestellt, der in den letzten Jahren Madernos Assistent war). Eine Reihe anderer römischer Paläste (1612-1614 Borghese; 1622-1624 Barberini ai Giubbonari; 1622-1623 Ludovisi, heute Chigi-Odescalchi; v.a. 1620 Monte di Pietà) tragen ebenfalls seine Handschrift. Maderno war zudem ein erprobter Wasserbauingenieur und wurde deshalb 1610 zum Architekten des Tibers ernannt. Er zählte zu den führenden Römer Architekten des beginnenden 17. Jahrhunderts und bahnte in Anlehnung an Michelangelo, Jacopo Vignola und andere römische Architekten mit einigen seiner Werke wie den Fassaden von Santa Susanna und St. Peter, der Kuppel von Sant'Andrea alla Valle sowie den Palästen Mattei und Barberini der neuen Barockarchitektur den Weg.