Папа Сикст II, схваченный гонителями, предсказал, что Лаврентий погибнет через три дня, и поручил ему позаботиться о сокровищах церкви. Исполняя последнюю волю епископа, Лаврентий разыскивал бедных христиан, раздавал им деньги и ухаживал за ними; он также исцелил вдову Кириаку, которая укрывала христианских клириков от гонителей, и слепца Кресцентиона. Тем временем епископа Сикста II и диаконов Фелициссима и Агапита осудили на смерть. Когда Лаврентий узнал о приговоре, он воскликнул: «Не оставляй меня, святой отец, ведь я уже распорядился сокровищами, которые ты отдал мне». Услышав эти слова, стражники схватили его и привели к трибуну Парфению, который доложил императору, что Лаврентий спрятал церковные ценности. Желая завладеть сокровищами, Деций велел префекту Валериану разыскать их, а тот поручил викарию Ипполиту сторожить архидиакона. В темнице Лаврентий исцелил слепого Луцилла и обратил ко Христу Ипполита и его домочадцев. Префект велел архидиакону выдать ценности через три дня, и тот воспользовался отсрочкой, чтобы собрать нищих и увечных. С помощью Ипполита архидиакон привёл их во дворец Саллюстия, где находился император, и представил их как «нетленное сокровище церкви». От него потребовали отречься от Христа, а после отказа подвергли побоям и бичеванию. По приказу Деция архидиакона отвели во дворец Тиберия и устроили над ним суд в базилике Юпитера. Там Лаврентий повторно отказался поклониться идолам и снова был жестоко избит (в тексте подчёркивается, что гонители, прежде всего, требовали от него отречься от веры; вопросу о сокровищах уделено меньше внимания). Увидев стойкость мученика, стражник Роман уверовал во Христа и принял крещение, но вскоре был схвачен и казнён. Ночью император и префект устроили судебное заседание в термах Олимпиады близ дворца Саллюстия, приготовив множество пыточных орудий. На последнем допросе Лаврентий заявил, что он уроженец Испании, но вырос в Риме. По приказу Деция его уложили на железное ложе «наподобие решётки» и поджаривали на медленном огне. Несмотря на боль, мученик продолжал пререкаться с императором, и тот велел изжарить его заживо. Перед смертью, взглянув в лицо Децию, Лаврентий предложил перевернуть его и попробовать «жаркое». На рассвете Ипполит похитил тело Лаврентия и вместе с пресвитером Юстином, которому он рассказал о страданиях мученика, похоронил его на земле вдовы Кириаки на Тибуртинской дороге. Далее рассказывается о гибели Ипполита и других мучеников и о каре, постигшей Деция и Валериана. В «Liber Pontificalis», в краткой биографии папы Римского Сикста II, приведены сведения о Лаврентии, которые напоминают «Мученичество» Полихрония, но расходятся с ним в деталях. Здесь утверждается, что Лаврентий пострадал через три дня после гибели Сикста II; вместе с ним были казнены субдиакон Клавдий, пресвитер Север, чтец Кресцентий и остиарий Роман. Как и в агиографических сказаниях, понтификат Сикста II ошибочно датирован правлением императоров Валериана и Деция. Сказания о мученичестве Лаврентия исследователи считают в значительной мере легендарными.