L'ancienne petite église de Santa Maria del Presepio a été restaurée en 1563 et dédiée à San Lorenzo par le duc Emanuele Filiberto en vue d'accomplir un vœu prononcé lors de la bataille de San Quintino le 10 août 1557.
Les plans de l'église actuelle la structure préexistante, ont été confiés en 1666 à Guarino Guarini qui a créé l'une de ses œuvres les plus importantes. En particulier, l'architecture intérieure et le dôme ont constitué un tournant dans le baroque de Turin, tandis que l'autel principal, chef-d'œuvre innovant, est l'un des plus importants du nord de l'Italie. La façade conçue par Guarini n'a jamais été exécutée, mais l'église a la façade d'un bâtiment public.