Una prima chiesa, romanica, dedicata a san Lorenzo venne eretta in questo luogo nel 1258 dagli Eremitani di Sant'Agostino. Fra la fine del '300 e l'inizio del '400 la chiesa venne fortemente rimaneggiata e ingrandita in stile gotico col patrocinio della famiglia Malatesta. Di questo periodo si conservano il campanile con una bella cornice a fogliami in cotto e il prezioso portale gotico-veneziano della facciata. Quest'ultimo è un capolavoro di questo stile in città, realizzato in pietra bianca d'Istria e marmo rosso di Verona è ornato da leoni e statue entro nicchie e tabernacoli.

Nel XVIII secolo la chiesa venne radicalmente rimaneggiata in stile tardobarocco dal Pistocchi e dal Polinari, per essere riconsacrata l'8 settembre 1776. Nel 1861 il convento venne soppresso e adibito a caserma dei carabinieri, fino al 1919 quando venne demolito costruirvi la Camera di commercio. Nel 1919 la chiesa venne elevata a parrocchiale e da quel momento venne intitolata a sant'Agostino. Col terremoto del 1916 si perse la navata laterale destra, e nel 1949 si procedette a un profondo restauro, soprattutto della volta, a causa delle bombe cadute nelle vicinanze durante la seconda guerra mondiale.

La chiesa custodisce al suo interno notevoli opere d'arte: Il Coro ligneo intagliato e intarsiato, con Vedute della città, a due ordini di stalli, 1487-1537. Annunciazione, tela di Palma il Giovane. San Nicola da Tolentino, tela di Cristoforo Roncalli, detto il Pomarancio. Santa Rita da Cascia in preghiera, tela di Simone Cantarini. S. Tommaso da Villanova di Cesare Pronti. Sacra Famiglia di Giangiacomo Pandolfi. Organo di Gaetano Callido, XVIII secolo.