Mantenuta intatta per secoli, la basilica ha riportato gravissimi danni durante il bombardamento alleato su Roma durante l'ultima Guerra mondiale.
I restauri sono riusciti miracolosamente a recuperarla quasi allo stato originale. La basilica fu fondata da Costantino ed è quindi da considerarsi tra le più antiche di Roma.
L'edificio è nato dalla fusione di due chiese, la più antica, San Lorenzo propriamente detta, corrisponde alla parte absidale e praticamente rifatta nel IV secolo; l'altra, dedicata alla Vergine, forse fondata nel V secolo, forse ricostruita nell'VIII e nelle strutture attuali dovuta al rifacimento di papa Onorio III (1216 - 1227).
L'aspetto esterno della basilica offre un portico architravato e il campanile romanico; sotto il portico si conservano varie tombe antiche e qualche resto di affreschi medievali.
L'interno è costituito da tre lunghe navate, di atmosfera prettamente medievale e già all'ingresso si può vedere la divisione delle due chiese: quella anteriore è a tre navate, senza matroneo, divisa da colonne antiche; quella che forma il presbiterio e l'abside della basilica è anch'essa a tre navate divise da grandi colonne scanalate con capitelli corinzi ricavate da qualche tempio romano. In questa parte sono i matronei,       le navate superiori riservate alle donne, scandite da eleganti colonnine di carattere bizantineggiante.
Il pavimento musivo è dei Cosmati, ma molto danneggiato.
I due pulpiti o amboni e il candelabro pasquale sono anch'essi cosmateschi (1148) così come la sedia episcolale in fondo al coro con lumeggiatura in mosaico.
Il mosaico che orna l'arco trionfale risale al VI secolo.
Il chiostro della basilica è romanico (fine XII - inizio XIII sec.) con portichetto inferiore e loggiato superiore.