Nella nuova terra, la chiesa di San Lorenzo fu incorporata nel nuovo edificio sacro costruito in forme gotiche agli inizi del Trecento. La chiesa, inglobando una struttura più antica chiamata San Lorenzo di Piano Alberti, subì molte aggiunte e trasformazioni tra il Seicento e l’Ottocento, che furono eliminate nei restauri moderni. Dopo vari interventi volti a riportarla al suo aspetto originale, oggi si presenta all’interno piuttosto spoglia e austera, anche a causa della mancanza di molte tavole oggi conservate nel museo della basilica. Nel 1780 fu trovato in un pilastro un cadavere murato, la salma è custodita in una nicchia protetta, attualmente visibile. Nel 1903 venne alla luce l’affresco quattrocentesco raffigurante la Pietà con i simboli della Crocifissione, San Pietro e l’Uscita di San Pietro, attribuito a Mariotto di Nardo, insieme ad altri affreschi frammentati. I restauri hanno riportato alla luce le antiche strutture esistenti e il ciclo di affreschi che ornava le volte e le pareti, tra cui quelli nella navata destra, opera di Giovanni di Ser Giovanni, detto Lo Scheggia, fratello di Masaccio. Sopra l’altare maggiore si trova il Trittico dell’Incoronazione della Vergine e Santi, attribuito a Giovanni del Biondo e databile intorno al 1374.