La sua origine risale al 330 quando l'imperatore Costantino edificò una grande basilica cimiteriale detta 'Basilica Maior' nei pressi della tomba di San Lorenzo.
Alla fine del VI secolo papa Pelagio II ne face costruire un'altra affianco che inglobava completamente il sepolcro di San Lorenzo detta 'Basilica Minor'.
Fu Onorio III, nel XIII secolo, a conferire al complesso l’aspetto attuale ottenuto dalla fusione delle due costruzioni precedenti.
La basilica nel corso dei secoli subì numerosi restauri. Di questi quello più radicale fu operato da Virgilio Vespignani, tra il 1855 ed il 1864. Seriamente danneggiata, durante la Seconda Guerra Mondiale, dai bombardamenti del 1943 venne, tra il 1943 ed il 1948, restaurata da Alberto Terenzio ritrovando il suo aspetto medievale.
La facciata, in laterizio con tre finestre, è stata completamente ricostruita dopo i bombardamenti del 1943. Dei mosaici che la ricoprivano restano solo alcuni frammenti.
A destra della facciata, in posizione arretrata, svetta il campanile in stile romanico del XII secolo.
Precede la facciata un portico, sostenuto da sei colonne con capitelli medioevali ionici, risalente al XIII secolo, sotto il quale si conservano alcune tombe antiche e resti di affreschi della fine del Duecento che rappresentano storie dei Santi Lorenzo e Stefano e del Conte Enrico.
L’interno della basilica è a tre navate, ed è composta dalle due basiliche costruite in epoca diversa, adiacenti ma non perfettamente in asse: quella pelagiana, la più antica, adattata a presbiterio e quella onoriana che costituisce il corpo principale dell’edificio.
In fondo alla navata destra si apre l’ottocentesca cappella di San Tarcisio, realizzata da Virginio Vespignani. La navata di sinistra termina con la Cappella sotterranea di Santa Ciriaca in stile barocco con due monumenti funebri ideati da Pietro da Cortona.
Per due rampe di scale si sale all’ampio presbiterio. Al di sotto vi è la cripta da cui è possibile venerare le tombe dei santi Lorenzo e Stefano protomartire.
Al centro del pavimento cosmatesco si leva il ciborio, opera dei Cosmati del 1148, costituito da quattro colonne di porfido sorreggenti una copertura piramidale.
In fondo al presbiterio si trova la cattedra episcopale del 1254, decorata con mosaici.
Dalle estremità delle navate laterali si può scendere alla cappella di Pio IX, opera di Raffaele Cattaneo della fine del XIX secolo.