La primitiva basilica (Basilica maior) fu eretta nel IV secolo dall'imperatore Costantino I vicino alla tomba del martire Lorenzo, come altre basiliche cimiteriali della stessa epoca (San Sebastiano sulla via Appia, Sant'Agnese fuori le mura, Santi Marcellino e Pietro, presso Torpignattara). Proprio sopra la tomba fu contemporaneamente costruito un piccolo oratorio.

L'oratorio fu rimpiazzato da una nuova chiesa all'epoca di papa Pelagio II (579-590). Per un certo periodo coesistettero dunque la Basilica maior costantiniana, che in un momento imprecisato fu dedicata alla Madonna, e una "basilica minore", pelagiana. Tra il IX e il XII secolo, tuttavia, la basilica costantiniana fu probabilmente abbandonata.

Papa Onorio III, in occasione forse dell'incoronazione di Pietro II di Courtenay come imperatore latino di Costantinopoli, nel 1217, iniziò grandi lavori di ampliamento della basilica di Pelagio II: la chiesa fu prolungata verso ovest, abbattendo la vecchia abside, l'orientamento fu ribaltato e la vecchia basilica divenne il presbiterio rialzato della nuova chiesa, che presenta ancora oggi un pavimento più alto nella navata centrale.

La nuova basilica era decorata da affreschi che illustravano la vita di san Lorenzo e di santo Stefano, il primo martire cristiano, sepolto sotto l'altare maggiore insieme al santo titolare della chiesa.

La chiesa subì trasformazioni nel periodo barocco, ma le aggiunte furono eliminate con il restauro dell'architetto Virginio Vespignani tra il 1855 e il 1864. Il 19 luglio 1943, durante la seconda guerra mondiale, la chiesa fu gravemente colpita durante il primo bombardamento alleato su Roma. Dopo la distruzione bellica, la basilica fu ricostruita e restaurata con il materiale originale: i restauri, terminati nel 1948, permisero l'eliminazione di strutture aggiunte nel XIX secolo, tuttavia gli antichi affreschi della parte superiore della facciata erano irrimediabilmente perduti.

Nel 1957 furono effettuati saggi di scavo in corrispondenza del muro del cimitero del Verano: le indagini permisero di riconoscere i resti della basilica costantiniana: un grande edificio a circo, a tre navate separate da colonne. Scavi effettuati sotto la basilica hanno portato alla luce numerosi ambienti e cripte.