В Средние века и Новое время церковь Сан-Лоренцо-фуори-ле-Мура входила в число пяти «великих» базилик Рима, которые считались важнейшими святынями города и привлекали множество паломников. В XI в. возникло представление о том, что в гробнице Лаврентия покоились также мощи св. Стефана, основанное на сопоставлении диаконов-мучеников в трудах отцов церкви и в иконографии. О перенесении святыни из Константинополя в Рим повествуется в сказании, автором которого назван некий Луций, архидиакон Римской церкви. Лициния Евдоксия (422–462 гг.), дочь императора Феодосия II, которая жила в Риме, была одержима нечистым духом и попросила отца доставить к ней мощи святого Стефана, хранившиеся в Константинополе. Однако из-за сопротивления греков император был вынужден дать обещание, что римляне отдадут им мощи Лаврентия. Когда гробницу мученика открыли, чтобы положить в неё мощи Стефана, останки Лаврентия сдвинулись, чтобы освободить место. Греки попытались извлечь их, но лишились сознания, а всех присутствовавших охватил ужас. Таким образом, мученики дали понять, что желают покоиться в одном месте. Это сказание по просьбе архидиакона Теодина было переработано Бруно Астийским (Солерийским), скорее всего, как полагают исследователи, между 1087 и 1107 гг., когда он занимал должность библиотекаря Римской курии. Исследователи предполагают, что в конце XI в. в базилике Сан-Лоренцо-фуори-ле-Мура были выполнены росписи со сценами перенесения мощей Стефана (ныне утрачены). В XII в. базилика, построенная папой Пелагием II, уже не отвечала требованиям римского духовенства и многочисленных паломников. По словам льежского монаха Людовика Старшего, церковь была невелика, хотя и отличалась роскошным убранством. С целью расширить пространство базилики была разобрана апсида, на месте которой возвели трансепт-ретрохор. Позднее его превратили в пресвитерий и перенесли туда главный алтарь храма, а помещение под трансептом, где находилась «могила t», перестроили в зальную крипту. Р. Краутхаймер считал, что после этого гробница Лаврентия оказалась в центре храма; в 1148 г. по указанию аббата Гуго над ней воздвигли монументальную сень-балдахин на колоннах. По другой версии, гробница мученика («могила t») находилась в крипте под главным алтарём. Вскоре к базилике пристроили южный портик и колокольню. По указанию папы Климента III (1187–1191 гг.) был сооружён клуатр, а на рубеже XII и XIII вв. аббат Павел окружил монастырь крепостными стенами с башнями (не сохранились). Инициатором радикальной перестройки базилики был папский канцлер кардинал Ченчо Савелли, впоследствии избранный на Папский престол и принявший имя Гонорий III (1216–1227 гг.).