Sorta per commemorare la vittoria del duca Emanuele Filiberto nella fondamentale battaglia di San Quintino in Piccardia, il giorno di San Lorenzo del 1557, la chiesa fu costruita su progetto del padre Guarino Guarini (1624-1683) per il proprio ordine, i Teatini, a cui era stata assegnata nel 1634. A Torino dalla fine del 1666, Guarini si trovò a riprogettare un edificio a pianta centrale in parte esistente, per il quale era già intervenuto nel 1664 l’architetto conte Amedeo di Castellamonte (1613-1683), il cui disegno era stato realizzato in minima parte. L’impresa di Guarini consistette nell’innalzare su un sito costretto all’angolo di piazza Castello un’ampia cupola – pari quasi alle proporzioni dell’invaso della chiesa – costituita da otto costoloni, che, slanciandosi a due a due tra i finestroni alla base del tamburo, s’intersecano nel mezzo disegnando un motivo stellare. Quasi a dimostrare la natura non strutturale delle volte gettate tra le costolature, una serie di oculi ne bucano la superficie facendo filtrare la luce, e ancor più sorprendentemente proprio alla base della lanterna. L’ardita struttura, compiuta tra il 1670-1679, nel reinventare il disegno della cupola tradizionale, ne contraddiceva pure la statica: gli archi e pennacchi su cui si regge la trabeazione, anziché fondarsi su robusti piloni si appoggiano, infatti, sul vuoto di cappelle angolari, cosicché la cupola parrebbe reggersi soltanto sugli esili sostegni di otto colonne. In realtà, la vera struttura portante è costituita da quattro arconi in muratura, mascherati tra l’anello d’imposta e l’involucro murario esterno. Priva di una vera facciata, la chiesa è preceduta dall’Oratorio dell’Addolorata, ricavato nello spazio originario a portico costruito per assecondare il disegno uniforme della piazza.

Completata la copertura, alla fine degli anni Settanta iniziò la decorazione dell’interno. Gran parte del ricco paramento in marmi policromi che riveste tutto il livello inferiore della chiesa fu messo in opera sotto la direzione di Guarini, che si discostò non poco dai modelli collaudati della tradizione torinese: bandito quasi del tutto il nero, è, infatti, il bianco delle pietre locali a prevalere, accostando alle già note varietà importate dalle maestranze luganesi una nuova selezione di marmi colorati di gran pregio provenienti dalle Alpi Apuane, dal Veneto, dal Trentino e dalla Liguria. L’apprezzamento per la qualità del materiale lapideo è esibita nell’invenzione formale del disegno per le lesene dell’aula, dove Guarini andò a simulare l’aspetto dei castoni di gemme e pietre preziose, espressione di un gusto per l’opulenza ostentata e profusa senza risparmio, in cui si riconobbero i patroni delle cappelle, fedelissimi cortigiani dell’entourage della Madama Reale, Maria Giovanna Battista di Savoia Nemours (1644-1724), e della principessa Ludovica di Savoia (1629-1692). Anche l’altare maggiore, progettato da Guarini e finanziato da Madama Reale a partire dal 1680, rappresentò un’assoluta novità per la scena torinese nella soluzione, “alla romana”, di isolare la mensa e addossare alla parete del coro l’architettura destinata ad incorniciare la pala.

La chiesa di San Lorenzo  fu bombardata nella notte del 13 luglio 1943 da aerei della RAF con bombe dirompenti di grosso e grossissimo calibro. I danni riportati furono lievi: il tetto fu divelto parzialmente e gli infissi furono parzialmente danneggiati.