В V–VI вв. Римские епископы уделяли пристальное внимание усыпальнице Лаврентия, которая стала важнейшей святыней города наряду с гробницами апостолов Петра и Павла. Папа Иларий (461–468 гг.) поместил в базилике и в крипте драгоценные сосуды, светильники, «серебряный алтарь» и др. При храме был основан монастырь, насельники которого, как полагают исследователи, отвечали за богослужение суточного круга в базилике и в крипте. По указанию Илария была построена загородная резиденция («praetorium») с двумя термами, тёплыми и открытыми («balneum et alium sub aere»), а также «две библиотеки». Папа Симплиций (468–483 гг.) освятил монастырскую церковь святого Стефана. Наряду с другими крупными пригородными базиликами храм Лаврентия стал важным центром стационального богослужения. По указанию папы Симплиция здесь поочёредно служили пресвитеры из «титульных» церквей. В «Liber Pontificalis» уточняется, что они должны были совершать крещение и принимать покаяние (серебряную утварь для соответствующих обрядов («ministeria ad baptismum sive ad paenitentem argentea») подарил папа Иларий). Впоследствии в базилике Лаврентия совершалась понтификальная месса в третье воскресенье сорокадневного поста, в четвёртую субботу поста, в среду пасхальной недели, во второе воскресенье после Пятидесятницы и в субботу сентябрьских Quattuor tempora (см. Четыре времени года). Как полагают исследователи, с этим было связано строительство галереи («porticus») между базиликой и городскими воротами, существовавшей в VIII в. Крипта, в которой находилась гробница Лаврентия, служила папской усыпальницей: здесь были похоронены Зосим (417–418 гг.), Сикст III и Иларий. На средства папы Феликса (III) (II) (483–492 гг.) при базилике Лаврентия была построена церковь святого Агапита, а папа Симмах (498–514 гг.) основал приют для бедных. Папа Иоанн I распределил драгоценные сосуды и ткани, полученные им от императора Юстиниана I Великого, между крупнейшими римскими базиликами – апостола Петра, апостола Павла, Лаврентия и Девы Марии (Санта-Мария-Маджоре). По указанию папы Пелагия II (579–590 гг.) над могилой Лаврентия была построена базилика. В посвятительной надписи говорилось о тесноте подземных коридоров и помещений, создававшей трудности для паломников, и об опасности обрушения катакомб. Как полагают исследователи, непосредственной причиной строительства стал обвал туфовой породы, в которой были высечены подземные помещения. Папа Григорий I Великий (590–604 гг.) вспоминал, что монахам и церковным работникам («mansionarii») пришлось провести раскопки, чтобы уточнить местоположение гробницы мученика. При этом они случайно вскрыли могилу; по словам Григория I Великого, никто из видевших останки Лаврентия не прожил и десяти дней. По сравнению с Большой базиликой императора Константина I Великого церковь папы Пелагия отличалась скромными размерами (31,7×20,65 м в интерьере). Это – трёхнефная базилика с нартексом и ориентированной на запад апсидой; над боковыми нефами находится просторная галерея.