С трёх сторон церковь была встроена в толщу холма, поэтому над поверхностью земли виднелись только верхние части стен. Главным входом служила арка в южной стене; со склона холма, где стояла Большая базилика, можно было войти на галерею над северным нефом. Из мозаичного убранства сохранилась композиция на триумфальной арке: Христос, восседающий на небесной сфере, с предстоящими апостолом Павлом, мучениками Стефаном и Ипполитом (слева) и апостолом Петром и Лаврентием, который держит руку на плече папы Пелагия. В отличие от других святых, одетых в бело-голубые одежды, Лаврентий облачён в золотистую тунику с таким же плащом. В руках у Христа, Петра и Лаврентия высокие процессиональные кресты, у Пелагия – модель построенного им храма. В рукописях сохранился текст стихотворной надписи папы Пелагия с упоминанием о военных конфликтах и молитвой о мире. Описания храмового комплекса сохранились в паломнических итинерариях VII в. В них говорится о двух базиликах, воздвигнутых в честь Лаврентия; церковь Пелагия II отличалась от Большой базилики пышностью убранства. При строительстве храма часть подземного кладбища была уничтожена, но оставшиеся помещения были доступны для паломников. Там находились усыпальницы Иринея и Абундия, Романа, Симфорозы и многих других мучеников. По мнению Р. Краутхаймера, гробница Лаврентия, покрытая по указанию Пелагия II серебряными пластинами, помещалась в западной части центрального нефа базилики. Но те исследователи, которые отождествляют её с «могилой t», полагают, что главная святыня располагалась в подземном помещении за апсидой, в которое можно было войти из боковых нефов базилики. В VII в. в базилике и катакомбах проводились восстановительные работы, следы которых исследователи обнаружили при раскопках, однако о них не упоминается в письменных источниках. Согласно «Liber Pontificalis», капитальный ремонт базилики был проведён по указанию папы Григория II (715–731 гг.). К этому времени при храме существовал женский монастырь святого Кассиана. В подземном оратории, примыкавшем к заалтарным помещениям, сохранились остатки росписей начала VIII в., а также фрески мастера Кресцентия, выполненные на средства монаха и пресвитера Иоанна Максима, как полагают исследователи, при папе Григории II (среди них – изображение Лаврентия). Начиная с понтификата Адриана I (772–795 гг.) в «Liber Pontificalis» регулярно сообщается о восстановительных работах в базилике и о дарах понтификов (драгоценные сосуды и ткани, предметы убранства). В эпоху Каролингов Большая базилика была посвящена Деве Марии и мученикам Юстину и Кресцентию. Последнее упоминание о ней исследователи относят к понтификату Льва IV (847–855 гг.); храм, как полагают исследователи, был заброшен не раньше конца IX в. По указанию папы Льва IV монастыри святых Стефана и Кассиана были объединены и переданы греческим монахам. При обители существовали также оратории св. Варвары, св. Николая и св. Евгении. Р. Краутхаймер полагал, что к IX в. относится реконструкция помещений за апсидой базилики Пелагия, где была сооружена просторная капелла, напоминавшая полуподземные «внешние крипты» эпохи Каролингов. Во второй четверти X в. правивший в Риме патриций Альберик II попросил св. Одона, аббата Клюни, восстановить дисциплину в монастыре при базилике (с этого времени храм находился на попечении бенедиктинцев). В 1048 г. в храме был похоронен папа Римский Дамас II (1048 г.).