As origens da Catedral de Tivoli perdem-se nas brumas do tempo. Uma lenda atribui a sua fundação ao imperador Constantino, logo após a promulgação do Édito de Milão. Igualmente lendária é a tradição que atribui a sua construção ao Papa São Simplício, de Tiburtino, que governou a Igreja entre 468 e 483. A primeira menção historicamente fiável da igreja dedicada a São Lourenço Mártir encontra-se no Liber Pontificalis, onde se afirma que o Papa Leão III (795-816) a enriqueceu com presentes preciosos.
A fachada atual da catedral foi construída em 1650, com a adição de um pórtico de três arcos. No nártex há um fresco do século XVI que representa a Nossa Senhora da Piedade. Ao lado da fachada ergue-se o campanário, com quase 47 metros de altura, o único testemunho remanescente da antiga catedral românica.
O interior da catedral desenvolve-se numa única nave, ladeada por quatro capelas de cada lado, intercomunicantes entre si. Do lado esquerdo, uma dessas capelas atua como entrada lateral, enquanto outra dá acesso ao átrio da sacristia. A nave é separada das capelas por pilares que incorporam as antigas colunas com capitéis coríntios pertencentes à estrutura românica original. A abóbada de berço, enriquecida por janelas que se abrem nas lunetas, é decorada com três grandes painéis que representam a Religião, São Lourenço Mártir e a Fé. Na parede da abside estão representados os santos tiburtinos: o Papa Simplício e os mártires Generoso, Sinforosa e Getúlio. Além disso, nas abóbadas acima das janelas da nave, os doze apóstolos são retratados dentro de medalhões.
Ao contrário do que muitas vezes se acredita, a decoração da nave e da abside não é obra de Carlo Labruzzi, mas foi feita em 1816 por Angelo De Angelis, um pintor romano pouco conhecido, também lembrado por ter pintado frescos na Capela Paulina no Palácio do Quirinal em 1818. O altar-mor, datado de 1704, é uma obra-prima de mármore policromado, embelezado com querubins e putti. Atrás dele, no centro da curva da abside, encontra-se a pintura de Pietro Labruzzi (1739-1805) que representa São Lourenço diante do juiz antes do martírio.
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