Исследователи указывали на «полное отсутствие правдоподобия во всей этой истории». По мнению И. Делеэ, Лаврентий, скорее всего, был историческим лицом, но достоверные сведения о нём невозможно отличить от вымышленных. Анахронизмы и фактические ошибки, которые содержатся в агиографических сказаниях, показывают, что римские агиографы имели слабое представление о событиях середины III в. Способ казни, которому был подвергнут Лаврентий, не согласуется с достоверными данными о гонении Валериана (как правило, мученикам отрубали головы; единственный пример публичной казни через сожжение – гибель епископа Фруктуоза и двух его диаконов в январе 259 г. в Тарраконе, ныне Таррагона, Испания). Жестокие пытки и мучительные способы казни стали применять к христианам только в эпоху тетрархии (286–324 гг.). Пиус Франки де Кавальери указал на сходство между преданием о казни Лаврентия и легендой о фригийских мучениках, погибших при императоре Юлиане Отступнике (361–363 гг.), которая приведена церковными историками Сократом Схоластиком и Созоменом. Как и Лаврентий, эти мученики были заживо изжарены на железной решётке; во время казни они мужественно потребовали от палачей перевернуть их на другой бок (указанную П. Франки де Кавальери аналогию с репликой галльского мученика Аттала И. Делеэ считал несущественной). По мнению И. Делеэ, речь идёт о литературном мотиве, который возник на Востоке и был заимствован западными авторами, включившими его в легенду о Лаврентии. Это предположение исследователи считают не вполне убедительным, т.к. в 380 гг. предание о казни Лаврентия было уже известно Амвросию Медиоланскому, а свидетельства Сократа Схоластика и Созомена исследователи относят к более позднему времени. На основании ранних свидетельств исследователям трудно судить о том, где и при каких обстоятельствах сложилась легенда о Лаврентии. Утверждение Амвросия Медиоланского, что Лаврентий погиб через три дня после казни своего епископа, согласуется с римской литургической традицией, в которой поминовение Сикста II совершалось 6 августа, а Лаврентия – 10 августа. Сведения о способе казни мученика и о требовании гонителей выдать сокровища, по мнению исследователей, связаны с так называемым великим гонением на христиан в начале IV в., когда власти конфисковывали церковное имущество. Другие подробности могли восходить к светским литературным сюжетам. Так, сцена, в которой Лаврентий показал гонителям бедняков, «сокровище церкви», скорее всего, как полагают исследователи, вдохновлена преданием о матери Гракхов, которая в ответ на просьбу показать драгоценности привела своих сыновей. Амвросий Медиоланский, Августин Блаженный и авторы проповедей называли Лаврентия как диаконом, так и архидиаконом; по мнению Пруденция, мученик был старшим среди семи римских региональных диаконов («hic primus a septem viris»). Обычай именовать старшего диакона Римской церкви архидиаконом засвидетельствован во второй половине IV в.