Датировка и последовательность строительных работ остаются предметом дискуссии. В 1190 гг. на средства кардинала Ченчо Савелли была сооружена небольшая крипта (confessio) с массивной гробницей мученика. Р. Краутхаймер полагал, что эта крипта в перестроенном виде сохранилась до настоящего времени, но, по мнению других исследователей, от неё уцелела только одна стена, т.к. при перестройке базилики гробницу Лаврентия перенесли на другое место. К базилике папы Пелагия с западной стороны пристроили новую трёхнефную базилику, увеличив таким образом площадь храма больше чем в два раза (общая длина церкви достигла 80 м). В центре храма, где соединялись обе базилики, на возвышении находился главный алтарь, а под ним, в крипте, – гробница Лаврентия и Стефана. Поскольку 9 апреля 1217 г. в базилике состоялась коронация Пьера II де Куртене как латинского императора Константинополя, строительство либо было завершено к этому времени, либо было начато после коронации. Р. Краутхаймер придерживался второй точки зрения, но современные исследователи полагают, что работы начались в 1190 гг. Завершение строительства, скорее всего, как полагают исследователи, относится к понтификату Иннокентия IV (1243–1254 гг.): по его указанию были отделаны мрамором крипта и пресвитерий базилики (на папской кафедре вырезана дата окончания работ – 1254 г.). К этому времени исследователи относят также мраморный пол нефа в стиле косматеско. На средства кардинала Гульельмо Фьески (ум. в 1256 г.), племянника Иннокентия IV, западная стена нефа была украшена росписями со сценами мученичества Лаврентия. Росписи в нартексе храма, иллюстрирующие предания о святых Стефане и Лаврентии, скорее всего, как полагают исследователи, были выполнены при папе Бонифации VIII (1294–1303 гг.). Начиная с XV в. базилика и монастырские здания, включая колокольню и клуатр, неоднократно подвергались реконструкции. Наиболее значительные работы были проведены в 1855–1865 гг. по указанию папы Римского Пия IX под руководством Вирджинио Веспиньяни, который пользовался консультациями Джованни Баттиста Де Росси. В это время были ликвидированы почти все следы перестроек и реставраций XV–XVII вв., восстановлены средневековые архитектурные формы. В восточном нартексе была устроена усыпальница папы Пия IX. Базилика Сан-Лоренцо-фуори-ле-Мура была серьёзно повреждена во время бомбардировки 19 июля 1943 г. Одновременно с реконструкцией храма (архитектор А. Теренцио) проводились археологические раскопки, во время которых были найдены остатки Большой базилики императора Константина I Великого. Среди древнейших храмов, посвящённых Лаврентию, – «титульная» церковь Сан-Лоренцо-ин-Дамазо.