La tradizione vuole che l'originaria chiesa di San Lorenzo fosse costruita grazie alla donazione di Giuliana, matrona di origine ebraica. Consacrata cattedrale nel 393 da S.Ambrogio, fu dedicata al martire Lorenzo.
Della primitiva costruzione sembra che quasi nulla sia giunto a noi. Abbattuta la chiesa successiva, costruita sopra l'originale, nel 1418 la famiglia Medici decise di farne il proprio tempio, affidando il progetto di massima al Brunelleschi. Sempre del Brunelleschi la sagrestia Vecchia fu completata prima del 1429. Dopo la morte del Brunelleschi la chiesa venne ultimata da Antonio Manetti nel 1461 che alterò alcune parti del progetto originario.
La facciata della Basilica, in pietra grezza, è rimasta incompiuta nonostante che per essa esistesse un progetto di Michelangelo voluto dal papa Leone X. Il modello ligneo della facciata è oggi conservato in Casa Buonarroti.
L'interno della chiesa è diviso in tre navate che sostengono arcate a tutto sesto. Ad ogni arcata della navata centrale corrisponde nelle navate minori una cappella, mentre le navate laterali sono coperte da volte a vela. La navata centrale è chiusa da un soffitto piano a cassettoni.
La chiesa risulta eccezionalmente integra nonostante gli interventi ottocenteschi.
La Sagrestia Vecchia è una delle prime realizzazioni architettoniche del Brunelleschi. Voluta da Giovanni di Bicci de' Medici come propria cappella, è dedicata a San Giovanni Evangelista.Su una pianta quadrata poggia la cupola emisferica. Restaurata fra il 1985 ed il 1989 mostra ora i colori originali degli stucchi e dei fregi.
Uscendo dalla basilica e voltando a destra, si entra nel convento ristrutturato ed ampliato da Michelangelo. Dal vano di comunicazione fra il primo chiostro del complesso e la chiesa si sale alla Biblioteca Medicea Laurenziana. Opera michelangiolesca, che conserva la più prestigiosa raccolta di manoscritti d'Italia. La famosa scalinata fu eseguita dall'Ammannati nel 1559 su modello di Michelangelo.