La basilica di San Lorenzo è uno dei principali luoghi di culto cattolici di Firenze, situata nell'omonima piazza nel centro storico della città. È una delle chiese che si contendono il titolo di più antica della città ed ha la dignità di basilica minore. Nei pressi della chiesa si tiene il turistico mercato di San Lorenzo.

Fu fondata, secondo la tradizione, nel corso del IV secolo su un'altura nei pressi del corso (poi deviato) del Mugnone, grazie alla donazione di Giuliana, matrona di origine ebraica. Già nel 393 veniva consacrata come cattedrale cittadina al martire Lorenzo, alla presenza di sant'Ambrogio e di san Zanobi. La zona all'epoca era appena fuori dalle mura, come la maggior parte dei siti delle primitive basiliche cristiane nelle città romane.

Il monticulus Sancti Laurentii oggi è occultato dalla gradinata che risale, nella sua sistemazione attuale, al 1912-1913. Della chiesa primitiva non resta pressoché niente. Tracce archeologiche frammentarie, non collegabili organicamente, sono venute alla luce qua e là sotto il pavimento della chiesa, nel corso di scavi negli anni sessanta e settanta del Novecento. Resti di abitazioni e botteghe costruiti a ridosso della chiesa furono rinvenuti nei lavori del 1912-1913.

Per trecento anni San Lorenzo fu la cattedrale di Firenze, prima di cedere lo status a Santa Reparata, quando vennero solennemente traslate le spoglie del vescovo di Firenze, san Zanobi.

Nei pressi di San Lorenzo sembra avesse la residenza Matilde di Canossa (morta nel 1115), duchessa di Toscana, che da qui riuscì a garantire una certa concordia tra i partiti cittadini dell'epoca.

La chiesa ampliata e riconsacrata una prima volta nel 1059 per iniziativa del vescovo Gherardo di Borgogna, quando divenne papa col nome di Niccolò II; in quell'occasione fu dotata anche di un capitolo di canonici, che diede impulso alla costruzione di alcuni ambienti come il chiostro a lato della chiesa.

Fu deliberato dai canonici un nuovo ampliamento all'inizio del XV secolo, ma i lavori procedettero inizialmente molto a rilento. Nel 1418 il priore Matteo Dolfini ottenne dalla Signoria il permesso per abbattere alcune case per ingrandire il transetto della chiesa e il 10 agosto 1421 egli celebrò una solenne cerimonia per benedire l'inizio dei lavori. Tra i finanziatori c'era il ricchissimo banchiere Giovanni di Bicci de' Medici, che abitava nel quartiere, e che fece probabilmente il nome dell'architetto che già stava lavorando alla sua cappella, l'odierna Sagrestia Vecchia, cioè Filippo Brunelleschi. La ricostruzione dell'intera chiesa fu un progetto che dovette maturare in un secondo momento, probabilmente dopo il 1421, quando morì il Dolfini. L'inizio dell'intervento brunelleschiano viene generalmente collocato in quell'anno.

Mentre la sagrestia veniva terminata nel 1428 (e nel 1429 vi si celebrarono le esequie solenni di Giovanni de' Medici), i lavori alla chiesa erano invece andati poco avanti ed erano pressoché bloccati. Dopo il 1441 si prese l'onere quasi per intero della ricostruzione Cosimo de' Medici, figlio di Giovanni, ma i progressi continuarono ad essere lenti, segnati da incertezze e interruzioni. In questa seconda fase la direzione dei lavori passò probabilmente a Michelozzo, architetto del vicino palazzo Medici e erede di numerosi cantieri avviati da Brunelleschi, ormai anziano e concentrato su altre opere.

Dal 1457 fu alla direzione del cantiere Antonio Manetti Ciaccheri e nel 1461, a lavori pressoché ultimati, venne consacrato l'altare maggiore. Tre anni dopo Cosimo de' Medici moriva e veniva sepolto in una cripta sotterranea, posta in un pilastro esattamente al di sotto dell'altare centrale.

Da allora San Lorenzo divenne il luogo di sepoltura dei componenti della famiglia Medici, tradizione proseguita, salvo alcune eccezioni, fino ai granduchi e all'estinzione della casata. Tale usanza venne anche ripresa, per analogia, dai successivi membri della dinastia Lorena, usando i sotterranei della basilica per le proprie sepolture.

La facciata della chiesa era rimasta incompiuta: papa Leone X, Medici, dopo un concorso a cui parteciparono grandissimi artisti come Raffaello e Giuliano da Sangallo, diede a Michelangelo il compito di progettarne una nel 1518. L'artista fece un modello ligneo di una facciata classica e proporzionata, ma l'opera non fu ugualmente portata a termine, per problemi tecnici e finanziari insorti già dall'approvvigionamento dei materiali. Sempre Leone X commissionò la Sagrestia Nuova al grande artista, per conservare i sepolcri dei due rampolli di casa Medici, Lorenzo duca d'Urbino e Giuliano Duca di Nemours, che erano morti entrambi sui trent'anni con grande costernazione del papa che tanto si era adoperato per la loro affermazione. L'opera fu realizzata a più riprese, includendo anche le tombe di Lorenzo il Magnifico e suo fratello Giuliano, ma con grande lentezza e un graduale ridimensionamento dei progetti, finché, messo alle strette per il suo appoggio antimediceo alla Repubblica fiorentina, Michelangelo barattò un salvacondotto con una conclusione parziale dell'opera.

Clemente VII, l'altro papa Medici, non mancò pure di arricchire il complesso di San Lorenzo, incaricando Michelangelo di realizzare la Biblioteca Medicea Laurenziana, mentre dentro la chiesa fece costruire su progetto dello stesso artista il balcone nella controfacciata per l'esposizione delle reliquie.

La vasta cappella dei Principi, separata, dietro l'altare maggiore, fu un'impresa grandiosa avviata al tempo di Ferdinando I; i Medici la stavano ancora pagando quando l'ultimo membro, Anna Maria Luisa de' Medici, morì nel 1743.

Il piccolo campanile risale invece al 1740, opera di Ferdinando Ruggieri.

L'ultima della dinastia Anna Maria Ludovica commissionò l'ultima opera importante nella basilica: la decorazione della cupola con la Gloria dei santi fiorentini ad opera del pittore Vincenzo Meucci (1742), una magra compensazione però in confronto alla distruzione degli affreschi di Pontormo nel coro, perpetrata in quegli stessi anni.

Con la soppressione ottocentesca degli enti religiosi, la biblioteca fu separata giuridicamente, dal resto del complesso e venne creato il Museo delle Cappelle Medicee, di proprietà statale. Nel 1907 fu istituita l'Opera medicea laurenziana per la gestione e la salvaguardia della basilica. Dal 1º marzo 2001 per accedere alla chiesa è richiesto il pagamento di un biglietto che va all'Opera Laurenziana. Per le conseguenze della storia negli ultimi due secoli, il complesso laurenziano, uno dei più importanti di tutta Firenze, si presenta oggi con un'immagine frammentaria, corrispondente ai diversi usi degli ambienti: religioso, turistico, museale, bibliotecario. Per visitare il complesso, fatti salvi il chiostro principale, a ingresso gratuito, e le zone riservate ai religiosi (non accessibili), si devono oggi staccare tre biglietti diversi, fruibili con orari di visita differenti: uno per la basilica, la Sagrestia Vecchia e la cripta, uno per la cappella dei Principi e la Sagrestia Nuova, uno infine per gli ambienti monumentali della Biblioteca Medicea Laurenziana, aperti per lo più solo in occasione delle regolari mostre temporanee.

Nel luglio 2011 l'allora sindaco Matteo Renzi propose di completare la facciata della chiesa con il progetto di Michelangelo del 1515, da realizzare per il cinquecentenario, 2015. La proposta si rifaceva alle edificazioni ottocentesche di due delle principali chiese fiorentine: Santa Croce, la cui facciata fu realizzata tra il 1853 e il 1863, e Santa Maria del Fiore, realizzata tra il 1871 e il 1887. L'iniziativa, che avrebbe dovuto passare da un referendum popolare, non ebbe seguito.

La facciata di San Lorenzo è a capanna digradante, con pietra grezza a vista su cui si aprono tre portali centinati. Il fianco destro è in pietra liscia, decorato da un ordine di arcate cieche e lesene. Su questo lato si vede anche l'esterno della sagrestia Nuova di Michelangelo, dotata di cupoletta coperta a scaglie, conclusa da una lanterna con colonnine marmoree.

In alto, sopra il tiburio, è impostata la grande cupola della cappella dei Principi, coperta da embrici.

Sul retro della chiesa (con accesso dal retro su piazza Madonna degli Aldobrandini) si apre la grandiosa cappella dei Principi, con la sua grande cupola che a Firenze è la seconda per grandezza dopo quella del duomo.

La chiesa è a croce latina a tre navate, con cappelle lungo il piedicroce e i lati del transetto. All'incrocio dei bracci si trova una cupola. L'impianto, come in altre opere di Brunelleschi, si ispira ad altre opere della tradizione medievale fiorentina, come Santa Croce, Santa Maria Novella o Santa Trinita, ma a partire da questi modelli Brunelleschi prese spunto per qualcosa di più rigoroso, con esiti rivoluzionari. L'innovazione fondamentale sta nell'organizzazione degli spazi lungo l'asse mediano applicando un modulo (sia in pianta che in alzato), corrispondente alla dimensione di una campata quadrata, con la base di 11 braccie fiorentine, circa lo stesso dello Spedale degli Innocenti (10 braccia fiorentine), edificato dal 1419. L'uso del modulo regolare, con la conseguente ripetizione ritmica delle membrature architettoniche, definisce una scansione prospettica di grande chiarezza e suggestione. Le due navate laterali sono state definite come lo sviluppo simmetrico del loggiato dello spedale, applicato per la prima volta all'interno di una chiesa: anche qui infatti l'uso della campata quadrata e della volta a vela genera la sensazione di uno spazio scandito come una serie regolare di cubi immaginari sormontati da semisfere.

Le pareti laterali sono decorate da paraste che inquadrano gli archi a tutto sesto delle cappelle. Queste ultime però non sono proporzionate al modulo e si pensa che siano una manomissione al progetto originale di Brunelleschi, messa in atto almeno dopo la sua morte (1446). Inoltre la razionalità dell'impianto nel piedicroce non trova un riscontro di analoga lucidità nel transetto, poiché qui probabilmente Brunelleschi dovette adattarsi alle fondazioni già avviate dal Dolfini. In base a rilievi, studi delle fondazioni, indagini d'archivio e a un disegno di Giuliano da Sangallo dell'inizio del XV secolo si è ricostruito che il progetto originale dovesse prevedere un giro di cappelle a pianta quadrata (invece che rettangolare come sono adesso), con volta a vela e abside sulla parete di fondo, che proseguisse anche in controfacciata e alle testate del transetto e del presbiterio, dove erano previste coppie di cappelle simmetriche su ciascuna estremità: un modello rivoluzionario, che l'architetto provò ad applicare anni dopo, con risultati più coerenti, nella basilica di Santo Spirito.

Nonostante le alterazioni la basilica trasmette ancora un senso di concezione razionale dello spazio, sottolineata dalle membrature architettoniche portanti in pietra serena, che risalta sull'intonaco bianco secondo il più riconoscibile stile brunelleschiano.

L'interno è estremamente luminoso, grazie alla serie di finestre ad arco che corre lungo il claristorio. Le colonne poggiano su corti plinti, hanno fusti lisci e terminano nell'innovativo "dado brunelleschiano", composto dal capitello corinzio e da un pulvino cubico, composto da fregio con rilievi di protome angeliche e graticole di san Lorenzo. Le arcate della navata sono a tutto sesto, sovrastate da una cornice sporgente. Il soffitto della navata centrale è decorato a lacunari, con rosoni dorati su sfondo bianco, mentre le navate laterali sono coperte da volte a vela. Ciascuna cappella laterale è sollevata di tre gradini, fiancheggiata da paraste e sormontata da un arco a tutto sesto, che si raccorda al cornicione con una mensola.