L'antichissima chiesetta di Santa Maria del Presepio fu restaurata nel 1563 e dedicata a San Lorenzo dal duca Emanuele Filiberto per adempiere al voto fatto durante la Battaglia di San Quintino il 10 agosto 1557. 
Il progetto per la realizzazione della chiesa attuale, costruita sulla struttura preesistente, venne affidato nel 1666 a Guarino Guarini che creò una delle sue opere maggiormente significative. 
In particolare l'architettura interna e la cupola costituirono una svolta per il barocco torinese, mentre l'altare maggiore - capolavoro innovativo - è uno dei più importanti dell'Italia Settentrionale. 
In luogo della facciata, disegnata dal Guarini e mai realizzata, fu eretto il prospetto di un edificio civile.