Capolavoro dello stile Barocco, la Cappella della SS Sindone venne progettata e realizzata da Guarino Guarini, matematico, teologo ed architetto modenese, tra il 1668 ed il 1694 per volontà di Carlo Emanuele di Savoia. La Cappella a pianta circolare, ospita il sacro lenzuolo della SS Sindone dal 1694 ed è sormontata da un'altra cupola in pietra bigia di frabosa, mirabile successione di forme geometriche tra loro concatenate che creano uno splendido gioco di luci e di ombre. Diverse stelle di bronzo vennero intarsiate nel pavimento, realizzato in marmo bianco e grigio.
Nel corso dell'800, Carlo Albero fece erigere 4 mausolei addossati alle pareti e dedicari a diversi importanti protagonisti dell'antica storia Sabauda. Pur essendo parte integrante di Palazzo Reale si accede alla Cappella dal Duomo, attraverso due imponenti gradinate connesse. Sfortunatamente l'11 aprile 1997 l'opera lapidea della Cappella ed i suoi arredi lignei sono stati gravemente distrutti da un incendio che ha reso assai precaria la stabilità dell'intera struttura architettonica. Attualmente sono in corso i lavori di restauro, che si protrarranno ancora per altri 6 anni c.a.