La prima basilica presso la sepoltura del martire Lorenzo venne eretta nel IV secolo dall'imperatore Costantino. Proprio sopra la tomba venne contemporaneamente costruito un piccolo oratorio, che venne rimpiazzato da una nuova chiesa nel VI secolo da Pelagio II. Per un certo periodo coesistettero dunque due Basiliche, ma tra il IX e il XII secolo, la costantiniana venne abbandonata.
Nel 1217, papa Onorio III iniziò grandi lavori di ampliamento della basilica minore: la chiesa fu prolungata verso ovest, abbattendo la vecchia abside, l'orientamento fu ribaltato e la vecchia basilica divenne il presbiterio rialzato della nuova chiesa, che presentava un pavimento più alto nella navata centrale.
La Basilica di San Lorenzo fuori le Mura fu sede del Patriarca latino di Gerusalemme dal 1374 al 1847, anno in cui Pio IX ripristinò la sede a Gerusalemme (la tomba del pontefice si trova oggi proprio nella basilica).
La chiesa subì trasformazioni nel periodo barocco, ma le aggiunte furono eliminate con il restauro dell'architetto Virginio Vespignani tra il 1855 e il 1864.
Il 19 luglio 1943, durante la seconda guerra mondiale, la chiesa fu gravemente colpita durante il primo bombardamento alleato su Roma. Dopo la distruzione bellica, la basilica fu ricostruita e restaurata con il materiale originale.