Gràcies a diverses excavacions arqueològiques s'ha pogut demostrar que l'indret on s'assenta el monestir, ja estava poblat en època prehistòrica. Pel que fa al temple, les primeres notícies que ens han arribat daten   de meitats del segle X. En l'any 975 el comte Borrell II va vendre les esglésies de la muntanya de Sant Llorenç a l'abat Joan i al monestir de Sant Cugat del Vallès. Deu anys més tard es va estructurar una comunitat monàstica al voltant del temple. Es dóna la circumstància que l'abat i els dotze monjos del monestir de Sant Cugat, que s'havien refugiat a Barcelona, van morir durant l'atac d'Almansor a la ciutat comtal, mentre que els monjos refugiats a Sant Llorenç es van salvar.

En l'any 1013 es transformen l'església i les dependències monàstiques en abadia. Els comptes Ramon Borrell i Ermessenda van comprar les esglésies del Munt al monestir de Sant Cugat. A partir d'aleshores el monestir va començar una etapa d'esplendor, que li va permetre adquirir tot el terme de Castellar del Vallès i crear el priorat de Santa Maria de la Llacuna. És també en aquest moment que es construeix una nova església, consagrada el 24 de Juny de 1064.

Aquesta etapa de bonança es va començar a truncar durant el segle XIV. L'enclavament del monestir va ser un impediment per a que la comunitat s'ampliés i es desenvolupés amb normalitat. El gran nombre de possessions que tenia el monestir va fer que en diverses ocasions els administradors vetllessin més per les rendes obtingudes, que no pas per la salut espiritual de la comunitat. Aquest fet s'agreujà a partir del 1505 quan els abats passaren a ser comendataris i ja no residien sempre en el monestir. El darrer abat fou Francesc Olivó d'Alvèrnia i a la seva mort el monestir passà a dependre de la Congregació Claustral Tarraconense, entitat encarregada de gestionar les rendes del monestir. Des d'aquell moment deixà d'existir una comunitat monàstica i el monestir era considerat únicament com una font d'ingressos. Uns capellans van continuar mantenint el temple en peu i celebrant-hi culte fins l'any 1804 en que es tancà l'església. Cinc anys més tard, els francesos profanaren el temple buscant tresors. Per aquelles dates ja s'havien perdut gran part dels edificis monacals. Després de la invasió francesa, fou utilitzada com a corral.

En 1869, quan ja s'havia perdut gran part de la teulada i dels edificis monacals, es va iniciar la primera campanya de restauració, que va permetre restablir el culte en l'any 1871.

En 1948 es va crear l'Associació d'Amics de la Muntanya de Sant Llorenç, que des d'aleshores ha contribuït a millorar i mantenir l'entorn. Aquestes tasques van ser més importants a partir de la creació del Parc Provincial de Sant Llorenç del Munt per part de la Diputació de Barcelona, entitat que, a finals del segle XX, va portar a terme diverses campanyes arqueològiques i de restauració.

L'església es va construir en el segle XI seguint els cànons de l'estil llombard. Té planta basilical amb tres naus, cobertes amb voltes de canó.

Les naus estan separades entre si mitjançant grans arcs de mig punt, recolzats en pilars rectangulars.  

Les naus estan capçades a l'est amb tres absis semicirculars, decorats externament amb un fris d'arcs cecs i lesenes.

En la part central de les naus trobem el transsepte, no  destacat en planta. En no estar adossat al presbiteri, si no que es troba en el segon tram de la nau, s'allunya de la tipologia habitual de planta basilical amb transsepte que trobem en les nostres terres i s'acosta a models bizantins o a alguns temples de Llombardia.

El transsepte està cobert amb una volta de canó perpendicular a la coberta de les naus. En la intersecció entre la nau central i el transsepte s'alça una cúpula recolzada en quatre trompes.

L'absis central té quatre fornícules semicirculars, similars a les que trobem en altres temples catalans com Sant Vicenç de Cardona. A diferència d'aquests temples, en Sant Llorenç del Munt només hi ha quatre fornícules i no cinc. Així doncs, la finestra de l'absis no està emmarcada en un nínxol, si no que es troba aïllada.

Els absis laterals són llisos per la seva part interior. Originàriament tenien una finestra oberta en la seva part central. Actualment la del costat nord està cegada.

Adossada al mur sud, en la zona del transsepte, trobem la torre de campanar. Té planta quadrada i molt poca alçada, amb dos nivells de finestres molt senzilles de mig punt, algunes de les quals estan actualment cegades.

Tot apunta a que no es va acabar i per això va ser necessari construir un campanar de cadireta d'un sol ull en el mur oest.

El temple tenia quatre portes d'accés. Dos en el mur sud, una en el nord i una en el oeste. La del mur nord, així com una de les del mur sud, es troben en el transsepte. Estan formades per un senzill arc de mig punt. La del costat sud comunica amb el campanar, mentre que la del costat sud segurament comunicava amb el cementiri.

La porta del costat nord actualment està cegada i exteriorment està decorada amb un senzill guardapols.

La porta del mur oest és rectangular, amb llinda i arc de descarrega. Destaca per la seva estretor, tenint en compte les dimensions del temple. Estava protegida per un porxo de fusta, del qual només es conserven les mènsules on es recolzava.

En el mur sud trobem una porta de similars característiques, que comunica amb una galilea, situada en un nivell més baix i coberta amb una volta de quart de cercle. Aquest espai devia formar part de les antigues dependències monacals, de les que només ens han arribat algunes restes integrades en l'actual hostatgeria.