Estructura del edificio
La basílica de san Lorenzo se ha ido agrandando con ampliaciones sucesivas. En el nº 2 (azul) se sitúa la llamadas "Sacristía Vieja" (obra del propio Brunelleschi) y en el nº 7 (salmón) la "Sacristía Nueva" (obra de Miguel Ángel). Los números 4 y 5 indican el vestíbulo de la biblioteca Laurenciana y su interior, en la que trabajará Miguel Ángel. En el nº 6 (verde) se sitúa la conocida como Capilla de los príncipes, idea de Cosme I de Médicis, y realizada por Fernando I de Medicis a partir de 1602. Al pie de las naves debería haberse realizado la fachada, que está sin hacer todavía.
El interior, de tres naves divididas por dos largas filas de columnas, recuerda a las primitivas basílicas paleocristianas. Cambia el concepto espacial en relación con las iglesias medievales: ya no es el espacio-camino, de marcha en procesión hacia el altar, sino que se tiende a la igualación ambiental, en orden a que la vista se expanda a lo largo y ancho. El edificio presenta una planta de cruz latina muy alargada y está dividido en tres naves a las que se adosan capillas laterales.  Las naves laterales presentan bóvedas vaídas que apean, a un lado, sobre las columnas de la nave central y, al otro, sobre pilastras de orden corintio. Sobre éstas, a los lados externos, se encuentran unos óculos de iluminación. Las capillas laterales que se abren entre contrafuertes, siete a cada lado, muestran un acceso con arco de medio punto y se cubren con bóveda de cañón.
El transepto presenta en su frente cinco capillas, todas ellas rematadas con testero plano. El ábside principal y el coro se alinean con la nave principal y posee el mismo tipo de cubierta adintelada. El testero queda enmarcado por dos columnas corintias sobre las que se alza una tribuna, generando una doble altura en la que se aprecian sendos arcos de medio punto. La otras cuatro capillas se alinean con las naves laterales y se cubren, al igual que éstas, con bóvedas vaídas.  Adosados a ambos lados del transepto se encuentran dos amplios espacios, que sobresalen de la estructura del templo. Son las llamadas "Sacristía Vieja" (obra del propio Brunelleschi) y "Sacristía Nueva" (obra de Miguel Ángel). El crucero se cubre con cúpula semiesférica montada sobre pechinas que aparece al exterior cubierta por una estructura a modo de cimborrio.

La nave central, de mayor altura y anchura que las otras, presenta una arquería con arcos de medio punto sostenidos por columnas corintias, cuyos capiteles sostienen cubos de entablamento con arquitrabe, friso y cornisa. Sobre los arcos formeros, encima del entablamento, está un muro perforado por amplios y esbeltos vanos de medio punto que permiten la iluminación natural del interior del templo.
Es difícil establecer en qué medida la construcción es fiel a la idea original de Filippo Brunelleschi, pero lo que sí podemos afirmar es que en san Lorenzo se encuentran todos los elementos innovadores de la arquitectura renacentista aplicados por primera vez en un edificio religioso de grandes dimensiones.
Interior
Las estructuras de apoyo verticales y horizontales, columnas, pilastras y arcos se diferencian cromática y materialmente de las estructuras complementarias, paredes y ventanas. La legibilidad del espacio arquitectónico, centrada en la dicromía gris-blanco, la relación de proporción matemática y geométrica entre las diferentes partes del edificio, junto con la luz difuminada que no crea zonas de sombra, otorgan al espacio arquitectónico de San Lorenzo una excepcional belleza armónica. a planta está formada por tres naves con una concepción muy geométrica, inspirada en el arte clásico proporcionado y perfecto. En estas naves laterales hay varias capillas. Cuando se entra por la puerta estante se puede ver la planta hasta el final, porque tiene las líneas de perspectiva muy remarcadas lo que acentúa un interés visual hacia el altar mayor en el cual existe un ábside cuadrado, lo que aumenta la cúpula central.
En algunos edificios florentinos, como la iglesia de San Lorenzo (1418-1428) y el hospital de los Inocentes (1421-1455), Brunelleschi perfeccionó su estilo austero y geométrico, inspirado en la antigua Roma y completamente diferente del gótico florido que prevalecía en su época. Su característica principal consistía en el predominio del rigor matemático, marcado por el empleo de nervios ortogonales, líneas rectas, planos lisos y espacios cúbicos. Esta arquitectura de fachadas planas se convirtió en un paradigma para la ejecución de la mayoría de los edificios posteriores del renacimiento florentino.
En San Lorenzo, como en la iglesia del Santo Espíritu, se encuentran las pequeñas ménsulas que marcan el módulo, un módulo que en ambas iglesias está basado sobre el círculo inscrito en un cuadrado. En ambas iglesias la columna, al modo clásico, adquiere una importancia de primer orden y, a la vez que se respetan sus proporciones, su altura resulta aumentada mediante la inclusión de un fragmento de entablamento sobre el capitel. Este elemento probablemente lo tomara Brunelleschi de la basílica romana de Constantino, aunque allí no aparece sobre columnas exentas, y es un elemento que tendrá su proyección en el Renacimiento español.
La fachada interna está compuesta por tres puertas encuadradas entre dos pilastras adornadas con madera de roble y laurel y resguardadas por un balcón sostenido por dos columnas corintias. Aquí se ve la mano de Miguel Ángel.
Cubrición
La cubierta interior de la nave es plana, con casetones decorados mediante rosetones dorados sobre fondo blanco.
Exterior
El frente oeste permanece en el mismo estado desde 1480, mostrando una fachada desnuda y plana de toscos ladrillos de terracota cada vez mas horadados por el tiempo. Leo X convocó un concurso para una fachada en el que participaron artistas como Rafael, Giuliano y Antonio da Sangallo, Jacopo Sansovino y Baccio d´Agnolo, pero en 1516 la empresa fue encomendada a Miguel Ángel quien dedicó mucho tiempo al diseño de una fachada grandiosa, pero sólo pudo llevarse a buen término la fachada interior. Los modelos diseñados por el artista pueden verse en la exposición de la Casa Buonarroti. El Campanario es de 1740.

Todo lo que ha llegado hasta nosotros de la fachada propuesta para san Lorenzo por Miguel Ángel son algunos dibujos en lápiz negro y rojo, y el modelo en madera que se encuentra en la Casa Buonarroti en Florencia. El diseño nos recuerda a los antiguos escenarios de los teatros romanos, o a una iconostasis cubierta de santos tallados y escenas legendarias propia de la Iglesia oriental. Miguel Ángel consigue que el fiel se quede fuera contemplando, más que invitarle a entrar en el recinto santo.