Laurentius, der seinen Namen wohl vom elterlichen Landgut Lauriacum – der heutigen Wallfahrtskirche Loreto – erhielt und in seiner Heimatstadt eine gute Ausbildung genoss, wurde einer der sieben Diakone der Christengemeinde in Rom, also für die Finanzen und die Sozialarbeit der Kirche von Rom zuständig.
Die Legenda Aurea berichtet über sein Zeugnis: Als der römische Bischof, Papst Sixtus II., in der Christenverfolgung unter Kaiser Valerian festgenommen und enthauptet wurde, war sein Diakon Laurentius der Überlieferung zufolge verzweifelt, dass er nicht wert erachtet wurde, diesen Tod zu teilen. Sixtus tröstete ihn vor seinem Martyrium mit der Verheißung, dass er ihm in drei Tagen nachfolgen werde, und erteilte ihm den Auftrag, den Kirchenschatz den Leidenden und Armen auszuteilen.
Kaiser Valerian erhob jedoch Anspruch auf diese Schätze; um Laurentius zur Herausgabe zu zwingen, wurde der mehrfach gegeißelt, erbat sich jedoch drei Tage Bedenkzeit, verteilte während dieser Frist die Güter und präsentierte dann die beschenkten und christlich gewordenen Armen dem Kaiser als die „wahren Schätze der Kirche“. Der erboste Valerian ließ Laurentius mit Bleiklötzen schlagen, zwischen glühende Platten legen, versuchte vergeblich ihn zum heidnischen Opferdienst zu zwingen und befahl schließlich, den Unerschütterlichen über stetig unterhaltenem Feuer auf einem Rost langsam zu Tode zu martern. Selbst in diesen Qualen bewahrte er sich seinen Humor und neckte den Henker, er solle ihn auf dem Feuer wenden, der Braten sei auf der einen Seite schon gar. Sein Kerkermeister Hippolytus, durch die Standhaftigkeit des Laurentius bekehrt, begrub ihn außerhalb der Stadt.
In der römischen Gemeinde hatte die Verehrung von Laurentius nach der der Apostel Petrus und Paulus die größte Bedeutung. Kaiser Konstantin ließ im 4. Jahrhundert nahe des Grabes eine Basilika errichten, die durch eine Treppe mit dem Grab verbunden war.
Über Laurentius‘ Grab errichtete Papst Pelagius II. um 585 eine bis heute im Kern bestehende Basilika. Diese Kirche San Lorenzo fuor li Mura gehört zu den fünf römischen Hauptkirchen; in der Krypta ruhen seine Gebeine zusammen mit denen des Stephanus in einem antiken Sarkophag; die beiden gelten als die Protomärtyrer, die besonders vorbildlichen oder Erzmärtyrer. Weitere 30 Kirchen in Rom sind nach Laurentius benannt. Bildlich dargestellt wird er oft mit dem Rost, auf dem er sein Martyrium erlitten haben soll.
Nach dem Sieg von Kaiser Otto der Große (I.) über die Ungarn auf dem Lechfeld bei Augsburg am Laurentiustag 955 verbreitete sich sein Kult noch stärker. In Deutschland mehrten sich vom 13. Jahrhundert an die Darstellungen des besonders beliebten Märtyrers.
Auch König Philipp II. von Spanien, der am Laurentiustag 1557 die entscheidende Schlacht gegen die Franzosen gewann, führte seinen Sieg auf ihn zurück und legte deshalb seine neue Klosterresidenz San Lorenzo de El Escorial bei Madrid in Form eines Laurentius-Rostes an.
Im Erzbistum Köln wird der Laurentiustag als Fest gefeiert, da er der Patron einer der größeren Städte des Erzbistums ist, nämlich Wuppertal, deren Hauptkirche in Elberfeld dem Hl. Laurentius geweiht ist. Seit 2013 ist sie Basilika Minor, quasi als kleines Pendant zur Basilika Major San Lorenzo in Rom.