La sacristía Vieja de san Lorenzo es una pequeña construcción aneja a la basílica de san Lorenzo para distinguirla de la que levanta Miguel Ángel a mano derecha del transepto de dicha construcción en el XVI. Es un manifiesto, sintético y eficaz, de la arquitectura del primer renacimiento. Brunelleschi la hace de planta cuadrada y la cubre con una cúpula semiesférica nervada montada sobre pechinas; la misma cubrición utiliza en el ábside. El riguroso lenguaje arquitectónico está centrado en la esfera y el cubo, el cuadrado y el círculo, y los números tres y cuatro, con sus combinaciones matemáticas. El uso de dos figuras geométricas simples nos lleva al neoplatonismo que se instaura durante el Renacimiento. La insistencia en la cúpula, símbolo de la perfección de Dios, va en esa misma línea: el paso del mundo sensible al mundo inteligible.
Verticalmente, la sacristía está dividida en tres zonas de idéntico tamaño: la parte inferior (amarillo) de configuración general rectangular, la intermedia (verde) con arcos falsos circunscritos por las pechinas y la cúpula esférica (morado), cuyo radio es igual al tamaño de cada una de esas dos zonas sustentantes. El entablamento (azul) recorre continuo los dos espacios creando así un espacio visual completo, unitario, y lineal. Se ha considerado que tal sacristía es el primer espacio de planta central del Renacimiento.
La luz se filtra a través de las doce ventanas circulares situadas en la base de la cúpula, así como desde la linterna. La decoración, concebida como complemento de la arquitectura; fue realizada por Donatello. En los medallones de las pechinas narra historias de san Juan Evangelista. Donatello amplia en 1435 la decoración elaborando los medallones de los lunetos con los cuatro evangelistas

El interior del espacio principal está articulado rítmicamente por pilastras que enfatizan el espacio unitario. Estas pilastras no tienen función estructural, siendo esto una de las novedades introducidas por el arquitecto. El uso del orden corintio en los capiteles constituye un legado de los estudios de Brunelleschi de la arquitectura romana.
Los doce óculos abiertos entre los nervios de la cúpula simbolizan a los doce apóstoles, y la luz de la linterna, a la divinidad. Debajo del eje vertical de la cúpula, está la tumba del fundador de la dinastía de los Médicis.
La solución de la cúpula sobre trompas tiene casi mil años. Lo novedoso es el lenguaje expresivo, muy riguroso en las proporciones, marginando los aspectos visibles de un esquema constructivo.
Pechina en la que se representa la ascensión de san Juan, obra de Donatello. Según una leyenda muy antigua, san Juan fue elevado al cielo por un ángel, por eso no se encontró su tumba.
La cúpula del ábside está decorada con un fresco con una imagen del firmamento. A simple vista es difícil de saber, pero parece ser esa imagen del cielo nocturno no representa estrellas y constelaciones al azar, sino el aspecto exacto del cielo en un momento determinado de la historia, algún momento de las años 1422 a 1439.

En la Sacristía vieja se encuentran los sarcófagos de dos de los hijos de Cosme el Viejo -enterrado también en este templo-, obras de Verrochio, y el sarcófago de Giovanni di Bicci (en la imagen), banquero de la Edad Media, fundador de la poderosa dinastía Médici de Florencia, padre de Cosme de Médici y bisabuelo de Lorenzo de Médici (El magnífico).