La chiesa sorge nell'antica area del Campo Marzio, VII regione augustea dedicata all'addestramento dei militari in età romana, il suo asse di sviluppo principale è parallelo a quello dell'attuale Via del Corso, antica Via Lata. Nell'area intorno alla Chiesa vennero ritrovati i resti dell'Ara Pacis, sotto palazzo Peretti, e anche dell'Horologium Augusti, la grande meridiana orizzontale di Augusto, che sfruttava come gnomone un grande obelisco fatto arrivare dall'Egitto.

La stratigrafia sotto la Chiesa è assai complessa ed evidenzia la forte continuità di vita nella zona attraverso i secoli. Sotto l'attuale Basilica ci sono edifici di età romana: il più antico è una domus di II sec d.c. di cui sono stati ritrovati un muro affrescato posto sotto l'abside e un pavimento musivo bianco e nero sotto la navata centrale. Questo piano pavimentale con mosaico è stato parzialmente coperto dalle fondamenta di un'insula di III sec d.c. che si insedia nell'area della domus.

Infine, direttamente sopra l'insula, viene costruito l'edificio della Basilica di San Lorenzo in Lucina. Il toponimo 'Lucina' è menzionato sia nel Liber Pontificalis, in merito all'elezione di Papa Damaso nel 366 d.c., sia in un'epigrafe di IV-V sec d.c. in cui compare la scritta 'titulus Lucinae'.
Lucina dovrebbe essere infatti una ricca matrona convertita al cristianesimo, che mette a disposizione un sito di sua proprietà, in questo caso l'abitazione, per favorire l'aggregazione della nascente comunità cristiana.
L'edificio basilicale paleocristiano fu costruito all'inizio del V sec. d.c. da Papa Sisto III dopo la richiesta del permesso imperiale, dato che si voleva costruire su terreno demaniale, nelle vicinanze dell'Horologium; la struttura aveva lo stesso orientamento dell'attuale Chiesa, con tre ingressi. Da ciò è plausibile ipotizzare che fosse a tre navate, ma non ne abbiamo la certezza.

Nella navata centrale, lungo il muro sopraelevato, rimangono tracce di finestre ad arco che fanno presumere l'esistenza di una serie di dieci finestre per ognuno dei lati lunghi della navata. Tra Tardo antico e alto Medioevo, nel VII-VIII sec. d.c., i Papi Benedetto II e Adriano I fanno notevoli restauri: a destra del presbiterio viene aggiunta una stanza absidata e viene rinforzato l'abside riducendone l'ampiezza. In età pienamente medievale la Chiesa subì pesanti rimaneggiamenti: nel XI sec d.c. venne pesantemente danneggiata dalle devastazioni di Roberto il Guiscardo e fu Pasquale II, nel 1112 a ricostruire la Chiesa praticamente dalle fondamenta.

Del XII sec è sono il campanile, pienamente romanico, il nartece, che era aperto su entrambi i lati, e un pavimento cosmatesco visibile poco sotto la navata centrale. Nel 1980 viene scoperto un battistero paleocristiano sotto la sala dei canonici, obliterato nel XV sec dalla cappella di San Giovanni Battista: non si conoscono i limiti dell'ambiente ma si riconoscono due vasche, di cui una circolare più grande e l'altra decorata con lastre marmoree.

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