Основное убранство крипты составляли золотые, серебряные и бронзовые светильники; о размерах подземного помещения свидетельствует упоминание о канделябрах высотой 10 римских футов (около 3 м). Долгое время интерпретация этих сведений была предметом полемики. Историю архитектурного комплекса, возникшего вокруг могилы Лаврентия, удалось прояснить лишь в середине XX в. благодаря археологическим раскопкам. Базилика, построенная при императоре Константине I Великом, находилась в стороне от усыпальницы мученика. Это было монументальное трёхнефное здание с апсидой, ориентированной на запад (98,6×35,5 м), и сквозной аркадой на восточном фасаде; боковые нефы переходили в окружавший апсиду «деамбулаторий». В первой половине IV в. подобные сооружения, названные из-за особенностей планировки «циркообразными базиликами», строились поблизости от гробниц римских мучеников. Первоначально они служили не столько храмами, сколько крытыми кладбищами: всё пространство базилики было занято могилами, а к боковым стенам снаружи были пристроены мавзолеи. В базилике Лаврентия, как полагают исследователи, совершалось богослужение в день памяти мученика, и устраивались поминальные трапезы в его честь (refrigeria). Большинство исследователей согласны с мнением Р. Краутхаймера, который приписывал строительство Большой базилики императору Константину I Великому. Гипотеза о возведении храма при папе Римском Сиксте III (432–440 гг.) признана необоснованной. Высказывалось мнение, что над гробницей мученика находилась небольшая церковь. При раскопках были обнаружены многочисленные эпитафии IV–V вв., надписи о восстановительных работах и др.; в них упоминаются Большая базилика (basilica maior), находившаяся в ней менса Лаврентия (алтарь или место для поминальных трапез) и лестница, которая вела к усыпальнице мученика. В одной из надписей говорится о покупке места для захоронения «в Большой базилике у господина Лаврентия» («in basilica maiore ad domnu Laurentium»). По указанию папы Сикста III была устроена монументальная гробница (confessio) с алтарём, украшенная порфировыми колоннами и покрытая серебряными пластинами; ограждение из порфира также было оковано серебром. На вновь устроенной «апсиде» установили серебряную статую Лаврентия. Из жизнеописания папы Сикста III в «Liber Pontificalis» исследователям неясно, где именно находилось это роскошное убранство: в подземной крипте (мнение Р. Краутхаймера) или в Большой базилике. Далее в источнике говорится, что папа Сикст построил или отремонтировал (fecit) базилику Лаврентия, уступленную ему императором Валентинианом III («quod Valentinianus Augustus concessit»), и пожертвовал для неё драгоценное убранство. По мнению Р. Краутхаймера, речь идёт о городской «титульной» церкви Сан-Лоренцо-ин-Лючина, но современные исследователи полагают, что эти сведения относятся к Большой базилике. Как полагают исследователи, император передал это здание церкви, и понтифик велел его отремонтировать.