La Chiesa di San Lorenzo, dipendente dalla Pieve di Cavriglia, preesisteva già dalla fondazione di Castel San Giovanni, come attesta un antico documento del 1201. Dopo l’incorporazione nel castello, la chiesa venne affrescata e poi modificata più volte perdendo la sua forma originale in stile romanico, per poi essere restaurata a partire dalla seconda metà dell’Ottocento. Ad oggi la mole si presenta compatta e spoglia, esternamente rivestita in pietra arenaria fino all’altezza del semplice portale per poi proseguire in laterizio mentre l’interno è costituito da un’ampia navata cui si aggiunge la navatella minore, divise da quattro arcate a sesti-acute. 

Dei molti affreschi delle navate ben poco è rimasto, sappiamo però per certo che vennero realizzati a partire dal XIV secolo. Nel 1912 furono riportati alla luce alcune raffigurazioni nella controfacciata della chiesa: si tratta di alcuni affreschi e molti di essi  vengono associati al lavoro di Giovanni di Ser Giovanni, detto Lo Scheggia, fratello del ben più celebre artista Masaccio. Tra le opere a lui attribuite vi è Il Martirio di San Sebastiano e, sebbene la figura del santo sia stata occultata, l’affresco si contraddistingue per le discrete condizioni in cui si presenta.

Nel corso del XV secolo la chiesa venne adornata con numerose tavole e pale, per poi modificarle ed adattarle al gusto barocco del Seicento e del Settecento. Tra le opere conservate ancora oggi in san Lorenzo, vi è un polittico raffigurante l’Incoronazione della Vergine collocato nella parete di fondo del presbiterio, datato 1347 ed  attribuito all’artista Giovanni Del Biondo dal Gamba.  Al contrario, risultano molteplici i dipinti provenienti dalla chiesa ma conservati al Museo della Basilica, come la Decollazione di San Giovanni di Giovanni da San Giovanni, le numerose opere attribuite a Lo Scheggia, tra cui la Madonna con il Bambino in trono e le due tavole raffiguranti gli Angeli musicanti. 

Nel 1780, in un pilastro della facciata interna, vennero ritrovati i resti  del cosiddetto “uomo murato”: una salma posizionata verticalmente nel muro davanti alla navata centrale. L’identità dell’uomo rimane tuttora sconosciuta: secondo alcuni potrebbe essere proprio il corpo di Masaccio, poiché la salma del noto artista  non è mai stata ritrovata e non si conosce il luogo di sepolutra del pittore ma l’ipotesi rimane comunque improbabile. Siamo certi però che l’uomo sia stato tumulato dopo la sua morte, e non murato vivo come si era soliti ipotizzare in passato.

 Oggi è possibile vedere la mummia all’interno di una nicchia accanto alla colonna dove è stato ritrovato, nascosto da una piccola porta di legno.