L'edificio di San Lorenzo è caratterizzato da una struttura piuttosto complessa: ai vertici di un corpo centrale quadrangolare (ricostruito dopo il crollo del 1573) si dispongono quattro torri quadrate, collegate a settori di corona circolare (esedre). Ai lati del tetraconco centrale si dispongono sacelli a pianta ottagonale (S. Ippolito, S. Aquilino e S. Sisto). Sul lato occidentale si inseriva la facciata (rifatta nel XIX sec.) preceduta da un vasto atrio quadriportico, il cui prospetto sulla strada era costituito da un colonnato inquadrato da avancorpi in muratura. Oggi l'atrio è scomparso, mentre del monumentale prospetto rimane solo il colonnato. San Lorenzo è la più antica testimonianza conosciuta di chiesa “tetraconca”. Il nucleo più antico della basilica comprendeva il corpo centrale di San Lorenzo e il sacello di Sant’Ippolito, edificati insieme alle torri angolari, mentre la cappella di Sant’Aquilino venne eretta n un momento immediatamente successivo e quella di San Sisto è un’aggiunta del VI sec. d.C. Le quattro esedre a semi-cupola che si affacciano sul corpo centrale presentano colonnati a due piani ed erano collegate tra loro tramite le quattro torri angolari; si aprono al piano terra sul deambulatorio retrostante e al piano superiore sui matronei. Le ricerche di archeologia dell’architettura condotte negli ultimi anni hanno permesso di raggiungere risultati importanti. L'analisi stratigrafica degli alzati eseguita per la prima volta su tutte le superfici esterne della basilica ha stabilito una sequenza della costruzione dei diversi corpi di fabbrica, dei crolli, ricostruzioni e riparazioni. Più di un centinaio di campioni fra carboni e grumi di calce delle malte e frammenti laterizi delle varie fasi sono stati datati con il radiocarbonio e la termoluminescenza e tale lavoro, insieme all’osservazione stratigrafica degli alzati, ha permesso di comprendere la sequenza crono-costruttiva dei diversi corpi di fabbrica e anche di individuare una grande fase di ricostruzione, compresa la cupola, nel X sec., alcuni interventi in età longobarda e carolingia e infine ricostruzioni e riparazioni medievali (XII-XIV sec.). All’interno le pareti dell’edificio paleocristiano erano decorate con opus sectile e la volta era ricoperta da tessere musive dorate. Gli scavi del 1910-1911 effettuati presso il portale marmoreo della cappella di S. Aquilino e nella cappella stessa portarono alla luce, a -2,40 m dal pavimento, la platea di blocchi di pietra di reimpiego sui quali era fondata la cappella; i blocchi provengono dalla demolizione del vicino anfiteatro. Venne effettuato anche un ulteriore saggio fino a raggiungere la quota di -7,55 m dal pavimento della cappella. Ulteriori saggi vennero condotti verso la sacrestia al fine di individuare l'estensione della platea. La platea in questa zona cominciava ad una quota superiore, -0,90 m dal pavimento, ed era alta solo 4,40 m, mentre sotto S. Aquilino era alta almeno un metro in più. Alla fine degli scavi venne rifatto il pavimento mantenendo in vista la platea nel sotterraneo. Il portale, datato al I sec. d.C. e reimpiegato all’ingresso della cappella ottogonale di sant’Aquilino, è costituito da nove lastre di marmo decorate da un rilievo separato da tre fasce di cornici. Sugli stipiti vi sono elaborati motivi vegetali arricchiti da piccole figure isolate (putti, divinità, cornucopie animali vasi) e da scene dionisiache e parodie circensi. L’architrave presenta una fascia a motivi vegetali, una con festoni sorretti da aquile e, nella fascia più alta, un fregio figurato dall’interpretazione non chiara. Sono rappresentate otto divinità legate all’ambiente circense, a cavallo o alla guida di bighe, che partecipano a una gara nel circo, gara in cui si affrontavano quattro squadre ognuna identificata da un colore. Tra le coppie di meta, identificate da due colonnette che chiudono la scena alle estremità e separate da conchiglie decorative contenenti coppie di delfini o uccelli, si riconoscono, a partire da sinistra, quattro divinità maschili, tre divinità femminili e Lucifero, personificazione della stella del mattino e rappresentante dei cavalieri che accompagnavano le corse dei carri. Le divinità maschili sono Mercurio, con caduceo e copricapo alato, in sella ad un animale ibrido, incrocio tra cavallo e capro; il Sole, dispensatore di buona sorte, con corona raggiata; Giove, dio della vittoria, con il fulmine; Marte, con lancia ed elmo crestato. Le dee, a partire da destra dopo Lucifero, sono la Luna, con crescente lunare sul capo; Venere; Vittoria-Nemesi, figura alata con corona e palma della vittoria, ma forse qui sostituita da Saturno, dio della sconfitta. Il valore simbolico della rappresentazione sul portale è legato a credenze astrologiche, era certamente connesso alla funzione del monumento da cui proviene, una struttura pubblica tuttora ignota. La cappella di Sant’Aquilino è costituita da un atrio a forcipe e da un corpo ottogonale, articolato all’interno in un alternarsi di nicchie semicircolari e poligonali. Le quattro pareti dell’atrio a pianta rettangolare, con due absidi alle estremità, erano ornate, al di sopra di una cornice marmorea, da mosaici con le figure dei Patriarchi, degli Apostoli e probabilmente anche dal Cristo, disposte su due piani e identificabili per mezzo di tessere dorate. I mosaici sono riconoscibili solo in alcune parti e sono stati ampiamente restaurati agli inizi del Novecento. Il portale marmoreo introduce all’ottagono centrale, largo 21,20 m e con ogni lato di 8,10 m.; all’interno di ogni lato si apre una nicchia sovrastata da una grande finestra. Si conserva la copertura originaria, un’ampia volta a padiglione alta circa 18 m. Il sacello aveva probabilmente pareti rivestite in opus sectile, di cui restano alcuni frammenti ed era ornato da mosaici. Due nicchie, a est e a ovest, conservano ancora scene leggibili, mentre in una terza vi sono solo alcuni frammenti. Nella lunetta est si riconosce la scena in cui Cristo, raffigurato come Sol Invictus, risveglia i pastori. Nella lunetta ad ovest Cristo, giovane e senza barba secondo l’iconografia del IV sec. d.C., è attorniato dagli Apostoli. Ai loro piedi scorrono due corsi d’acqua, il Paradiso è rappresentato come cielo dorato, prima testimonianza di fondo oro nell’arte occidentale. Il piano superiore dell’ottagono è dotato di una galleria, decorata a vivaci colori con motivi geometrici dipinti