La chiesa primitiva assunse forme romaniche intorno all'anno Mille e fu poi ricostruita, come appare oggi, dal Brunelleschi nel 1442 ed ultimata dopo la sua morte dall'allievo Antonio Manetti.
L'interno della chiesa è a croce latina e diviso in tre navate da colonne con capitelli corinzi su cui si impostano arcate a tutto sesto.
Da notare la balconata sulla facciata interna che fu realizzata da Michelangelo. E' impreziosita da due pulpiti di Donatello, dall'Annunciazione di Filippo Lippi e dall'elegante tabernacolo marmoreo di Desiderio da Settignano. Tra le opere quelle del Bronzino, del Sogliano, di Filippo Lippi e di Rosso Fiorentino. Affiancano la chiesa la splendida Sacrestia Vecchia, disegnata da Brunelleschi nel 1420 e decorata da Donatello, e la Sacrestia Nuova, costruita da Michelangelo nel 1524 come cappella funeraria della famiglia dei Medici.
Di Donatello e dei suoi allievi sono i quattro medaglioni in stucco policromo e i quattro tondi in terracotta policroma all'interno della Sagrestia Vecchia. Come pure i battenti bronzei delle due porte che fiancheggiano l'abside.
La Sacrestia Nuova, insieme alla barocca Cappella dei Principi costituiscono il Museo delle Cappelle Medicee.
Dalla chiesa si accede al Chiostro di S. Lorenzo (1427), di Brunelleschi,dove si trova l'ingresso della Biblioteca Mediceo-Laurenziana, progettata da Michelangelo per conservare la copiosa collezione di antichi manoscritti di proprietà dei Medici.
Di rilievo lo scalone eseguito su disegno inviato da Michelangelo, che conduce alla sala rettangolare, anch'essa disegnata dall'artista insieme al soffitto ligneo e ai banchi con leggio.