Fu fondata, secondo la tradizione, nel corso del IV secolo su un'altura nei pressi del corso (poi deviato) del Mugnone, grazie alla donazione di Giuliana, matrona di origine ebraica. Già nel 393 veniva consacrata come cattedrale cittadina al martire Lorenzo, alla presenza di sant'Ambrogio e di san Zanobi. La zona all'epoca era appena fuori dalle mura, come la maggior parte dei siti delle primitive basiliche cristiane nelle città romane. Il monticulus Sancti Laurentii oggi è occultato dalla gradinata che risale, nella sua sistemazione attuale, al 1912-1913. Della chiesa primitiva non resta pressoché niente. Tracce archeologiche frammentarie, non collegabili organicamente, sono venute alla luce qua e là sotto il pavimento della chiesa, nel corso di scavi negli anni sessanta e settanta del Novecento. Resti di abitazioni e botteghe costruiti a ridosso della chiesa furono rinvenuti nei lavori del 1912-1913.

La facciata di San Lorenzo è a capanna digradante, con pietra grezza a vista su cui si aprono tre portali centinati. Il fianco destro è in pietra liscia, decorato da un ordine di arcate cieche e lesene. Su questo lato si vede anche l'esterno della sagrestia Nuova di Michelangelo, dotata di cupoletta coperta a scaglie, conclusa da una lanterna con colonnine marmoree. Sul retro della chiesa (con accesso dal retro su piazza Madonna degli Aldobrandini) si apre la grandiosa cappella dei Principi, con la sua grande cupola che a Firenze è la seconda per grandezza dopo quella del duomo.

La Basilica conserva meravigliose opere d’arte, come la Sagrestia Vecchia di Filippo Brunelleschi del XV secolo, dove si possono ammirare i fregi con gli episodi della vita di San Giovanni Evangelista, opera di Donatello insieme alle porte bronzee. Di Donatello si possono ammirare anche i celebri Pulpito della Resurrezione e Pulpito della Passasione, le ultime opere del grande artista, in cui infuse tutto il suo spirito anticonformista. Splendidi anche la pala d’altare con “Lo sposalizio della Vergine”, capolavoro di Rosso Fiorentino, l'affresco del martirio di San Lorenzo del Bronzino, e le tombe di Giovanni e Piero dei Medici di Andrea del Verrocchio. Del complesso fa parte anche il pittoresco Chiostro dei Canonici, sempre progettato da Brunelleschi, con un elegante doppio loggiato.