Gracias a varias excavaciones arqueológicas se ha podido demostrar que el lugar dónde se asienta el monasterio, ya estaba poblado en época prehistórica. Las primeras noticias que nos han llegado del templo datan  de mediados del siglo X. En el año 975 el conde Borrell II vendió las iglesias de la montaña de Sant Llorenç al abad Joan y al monasterio de Sant Cugat del Vallès. Diez años más tarde se estructuró una comunidad monástica alrededor del templo. Se da la circunstancia que el abad y los doce monjes del monasterio de Sant Cugat, que se habían refugiado en Barcelona, murieron durante el ataque de Almanzor a la ciudad condal, mientras que los monjes refugiados en Sant Llorenç se salvaron.

En el año 1013 se transforman la iglesia y las dependencias monásticas en abadía. Los condes Ramon Borrell y Ermessenda compraron las iglesias del Munt al monasterio de Sant Cugat. A partir de entonces el monasterio empezó una etapa de esplendor, que le permitió adquirir todo el término de Castellar del Vallès y crear el priorato de Santa Maria de la Llacuna. Es también en este momento que se construye una nueva iglesia, consagrada el 24 de Junio de 1064.

Esta etapa de bonanza se empezó a truncar durante el siglo XIV. El enclave del monasterio fue un impedimento para que la comunidad se ampliara y se desarrollara con normalidad. El gran número de posesiones que tenía el monasterio hizo que en varias ocasiones los administradores velaran más por las rentas obtenidas, que no por la salud espiritual de la comunidad. Este hecho se agravó a partir del 1505 cuando los abades pasaron a ser comendatarios y ya no residían siempre en el monasterio. El último abad fue Francesc Olivó de Alvèrnia y a su muerte el monasterio pasó a depender de la Congregación Claustral Tarraconense, entidad encargada de gestionar las rentas del monasterio. Desde aquel momento dejó de existir una comunidad monástica y el monasterio era considerado únicamente como una fuente de ingresos. Unos curas continuaron manteniendo el templo en pie y celebrando culto hasta el año 1804 en que se cerró la iglesia. Cinco años más tarde , los franceses profanaron el templo buscando tesoros. Por aquellas fechas ya se habían perdido gran parte de los edificios monacales. Tras la invasión francesa, fue utilizado como corral.

En 1869, cuando ya se había perdido gran parte del tejado y de los edificios monacales, se inició la primera campaña de restauración, que permitió restablecer el culto en el año 1871.

En 1948 se creó la Asociación de Amigos de la Montaña de Sant Llorenç, que desde entonces ha contribuido a mejorar y mantener el entorno. Estas tareas fueron más importantes a partir de la creación del Parque Provincial de Sant Llorenç del Munt por parte de la Diputación de Barcelona, entidad que, a finales del siglo XX, llevó a cabo varias campañas arqueológicas y de restauración.

La iglesia se construyó en el siglo XI siguiendo los cánones del estilo lombardo. Tiene planta basilical con tres naves, cubiertas con bóvedas de cañón.

Las naves están separadas entre si mediante grandes arcos de medio punto, apoyados en pilares rectangulares.  

Las naves están rematadas por el este con tres ábsides semicirculares, decorados externamente con un friso de arcos ciegos y lesenas.

En la parte central de las naves encontramos el transepto, no  destacado en planta. Al no estar adosado al presbiterio, si no que se encuentra en el segundo tramo de la nave se aleja de la tipología habitual de planta basilical con transepto que encontramos en nuestras tierras y se acerca a modelos bizantinos o a algunos templos de Lombardía.

El transepto está cubierto con una bóveda de cañón perpendicular a la cubierta de las naves. En la intersección entre la nave central y el transepto se levanta una cúpula apoyada en cuatro trompas.

El ábside central tiene cuatro hornacinas semicirculares, similares a las que encontramos en otros templos catalanes como Sant Vicenç de Cardona. A diferencia de estos templos, en Sant Llorenç del Munt sólo hay cuatro hornacinas y no cinco. Así pues, la ventana del ábside no está enmarcada en un nicho, si no que se encuentra aislada.

Los ábsides laterales son lisos por su cara interior. Originariamente tenían una ventana abierta en su parte central. Actualmente la del lado norte está cegada.

Adosada al muro sur, en la zona del transepto, encontramos la torre de campanario. Tiene planta cuadrada y muy poca altura, con dos niveles de ventanas muy sencillas de medio punto, algunas de las cuales están actualmente cegadas.

Todo apunta a que no se terminó y por esto fue necesario construir una espadaña de un solo ojo en el muro oeste.

El templo tenía cuatro puertas de acceso. Dos en el muro sur, una en el norte y una en el oeste. La del muro norte, así como una de las del muro sur, se encuentran en el transepto. Están formadas por un sencillo arco de medio punto. La del lado sur comunica con el campanario, mientras que la del lado sur seguramente comunicaba con el cementerio.

La puerta del lado norte actualmente está cegada y exteriormente está decorada con un sencillo guardapolvo.

La puerta del muro oeste es rectangular, con dintel y arco de descarga. Destaca por su estrechez, teniendo en cuenta las dimensiones del templo. Estaba protegida por un pórtico de madera, del cual sólo se conservan las ménsulas dónde se apoyaba.

En el muro sur encontramos una puerta de similares características, que comunica con una galilea, situada en un nivel más bajo y cubierta con una bóveda de cuarto de círculo. Este espacio debía de formar parte de las antiguas dependencias monacales, de las que sólo nos han llegado algunos restos integrados en la actual hospedería..