La Chiesa di San è chiamata anche “Real Chiesa di San Lorenzo” perché voluta dai Savoia e quindi considerata da sempre come chiesa della casa reale.
Nel giorno di San Lorenzo (10 agosto) del 1557 Emanuele Filiberto di Casa Savoia ed il cugino Filippo II di Spagna vinsero la battaglia di San Quintino.
Essi avevano precedentemente deciso che in caso di vittoria, avrebbero fatto edificare una chiesa in onore di san Lorenzo.
Emanuele Filiberto, tornato a Torino, non potendo subito far erigere una nuova chiesa decide di far sistemare una chiesetta già presente nell'attuale piazza Castello e la intitola a san Lorenzo.
Proprio qui in questa piccola cappella ducale verrà esposta la Sacra Sindone per essere venerata da san Carlo Borromeo, arcivescovo milanese.
Nel 1634 fu posta la prima pietra della chiesa, progettata da Ascanio Vittozzi ma costruita sotto l’ausilio dell’architetto Guarino Guarini.
Nel 1680, alla presenza di tutta la corte sabauda, la chiesa è stata inaugurata.
La chiesa non avendo la facciata sembra non essere a primo piatto un edificio religioso.
La chiesa con pianta centrale presenta un grande spazio ottagonale racchiuso da una forma quadrata. Da qui si può accedere ad un presbiterio ellittico trasverso di piccole dimensioni collegato al coro con decorazioni in marmi e ori.
Il cornicione è composto da otto superfici curve che si congiungono.
L'edificio ha un’altezza davvero scenografica data dai quattro grandi pennacchi, dalla cupola e dalla lanterna.
La calotta della cupola è sostenuta dalle colonne delle serliane ed è illuminata da otto finestroni ellittici nonchè è attraversata da un sistema di nervature tali da formare una stella a otto punte al cui centro vi è un ottagono regolare.