Un primo edificio chiesastico dedicato a San Lorenzo sorse in epoca altomedievale lungo la via Postumia, in un tratto di strada che dall'esterno della città fino alla basilica di San Zeno era adibito ad area sepolcrale; forse edificato nel V o il VI secolo ma citato per la prima volta nel componimento Versus de Verona, scritto alla fine dell'VIII secolo, e in un atto del 20 giugno 814, l'edificio venne distrutto nel corso delle successive invasioni barbariche, probabilmente quella avvenuta ad opera degli Ungari nel X secolo. Di questo edificio sono sopravvissuti solo alcuni frammenti, tra cui un pluteo di epoca longobarda, pilastri, capitelli e pietre tombali, non più collocati nella loro posizione originaria ma reimpiegati in vari modi, tra cui per la ricostruzione della chiesa attuale.
L'edificio presenta la tipica pianta basilicale a tre navate con transetto: le navate sono separate tra di loro da file di quattro colonne con capitelli scolpiti a fogliame e possente pulvino, alternate a quattro pilastri polistili a sezione cruciforme, e ogni navata si conclude con un'abside semicircolare. L'area del presbiterio è sopraelevata di quattro gradini rispetto al resto dell'ambiente e occupa l'intera ultima campata, in prossimità dell'abside centrale si situa l'altare maggiore, delimitato da una balaustra e sopraelevato di due gradini, e infine al centro della parete si trova la pala cinquecentesca di Domenico Brusasorzi. Nell'abside di destra si trova l'altare del Crocifisso e in quello di sinistra l'altare dell'Addolorata, e ulteriori due absidi si trovano nelle cappelle inserite nei corti bracci del transetto. Le navate laterali e la campata di controfacciata sono sovrastate da una galleria continua di matronei coperti, come le navate laterali, da volte a crociera, mentre la navata centrale è coperta da una struttura lignea a vista e sostenuta da archi trionfali.
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