La actual iglesia de San Lorenzo poco tiene que ver con la antigua ermita medieval, la iglesia gótica de tres naves que la sustituyó o las reconstrucciones barrocas posteriores. En los años ochenta del siglo XX fue derribada, construyéndose un bloque de viviendas en cuya planta baja se dispuso un nuevo templo. Del anterior se conserva su portada y la torre cuadrada.

Parte de su rico patrimonio se muestra en el interior del templo y en la sacristía del mismo. Destacan, entre otras piezas, las esculturas de Gregorio Fernández del grupo de la Sagrada Familia o la de la Virgen de las Candelas, la pintura de Cristo Yacente de Mateo Cerezo o la imagen de la Virgen de San Lorenzo obra anónima del siglo XIV venerada como patrona de la ciudad.

Su devoción se remonta a tiempos de la Reconquista, según la leyenda. Hacia el año 1091 llegó a Valladolid un religioso procedente de Consuegra (Toledo), huyendo con una mula y una imagen de la Virgen con el Niño, que escondió en una cueva a orillas del Pisuerga. Allí, en 1125, fue descubierta por un pastor, cerca de la puerta de la muralla llamada de los Aguadores, motivo por el cual comenzó a ser conocida como la Virgen de los Aguadores. A mediados del siglo XII se traslada a la ermita de San Lorenzo donde se aumenta su fama milagrosa. En 1485 el regidor y merino don Pedro Niño decide construir una iglesia de mayores dimensiones, donde a la imagen mariana desde entonces se la conoce como la Virgen de San Lorenzo.

En 1781 se fundó la Hermandad de Nuestra Señora de San Lorenzo, que le tributa culto y procesiona en el día de su fiesta. En la nueva parroquia de San Lorenzo la imagen de la Virgen desplazó al titular del templo, logrando ser venerada como especial protectora de la ciudad, de la cual fue proclamada oficialmente como patrona en 1916, siendo coronada canónicamente en 1917 y declarada Alcaldesa Honoraria de Valladolid, motivo por el luce entre sus atributos, el bastón de mando y la medalla de la ciudad.

En 2003 se recupera la procesión en el día de su festividad, dentro de las tradicionales Ferias y Fiestas de la Virgen de San Lorenzo, destacando el regreso a su templo, momento en el que la procesión discurre por una espectacular alfombra de arena de colores y flores.