La chiesa fu fatta costruire dal duca Emanuele Filiberto per adempiere al voto fatto in occasione della battaglia di San Quintino avvenuta il 10 agosto 1557, giorno di San Lorenzo. In questa chiesa è stata custodita temporaneamente la Sindone dopo il suo trasferimento a Torino in occasione del pellegrinaggio dell'arcivescovo milanese San Carlo Borromeo (1578); vi venerò la Sindone anche Torquato Tasso.
L'8 febbraio 1634 i padri Teatini, ordine fondato a Roma nel 1524 da Gaetano da Thiene, si insediarono nella struttura della preesistente cappella medievale di Santa Maria del Presepio, con il compito di erigere una chiesa dedicata a San Lorenzo accanto al Palazzo Ducale. Guarino Guarini, padre teatino e architetto, incominciò a lavorarvi nel 1668 e nel 1687 la costruzione era finita. La pianta centrale è a base ottagonale con gli otto lati convessi ricurvi verso lo spazio interno. In ognuno di essi è presente un "motivo palladiano" con vasto arco aperto. Dietro le colonne di marmo rosso si aprono nicchie con statue bianche davanti ad uno sfondo nero e incorniciate da pilastri, anch'essi bianchi. Al di sopra dei pennacchi corre una galleria su cui si affacciano finestre ovali, intercalate da otto pilastri dai quali partono i costoloni della volta. Questi incrociandosi formano una stella a otto punte e, sull'ottagono regolare che si forma, si erge la lanterna.
La chiesa fu inaugurata il 10 maggio 1680.
L'altare maggiore, disegnato da Guarino Guarini e costruito quindici anni dopo l'inaugurazione della Chiesa, è isolato nel presbiterio, fatto che rappresentò per l'epoca la principale innovazione. Nel paliotto d'altare in marmo di Carrara, opera di Carlo Antonio Tandardini, è raffigurato il Voto di Emanuele Filiberto. La pala di San Lorenzo, situata sopra l'altare, è di Marcantonio Franceschini. Ai lati dell'altare sono situate le tribune ducali, collegate direttamente al palazzo.
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Nel primo altare a destra, disegnato dal Guarini, si trova una Crocifissione di Andrea Pozzo; sul paliotto è riprodotta in marmo la Sindone a ricordo del 15 settembre 1578, giorno in cui il Lenzuolo fu portato nella vecchia chiesa di San Lorenzo. L'altare della Concezione di Maria (terzo a destra) anch'esso progettato da Guarini, conserva la pala della Vergine Maria con beati sabaudi, eseguita dal pittore bolognese Domenico Maria Muratori. Il pulpito in noce d'India è finemente intagliato e scolpito da Stefano Maria Clemente; era stato costruito per la chiesa del Corpus Domini ma, essendo troppo grande, fu collocato in San Lorenzo. Nell'altare della Natività (terzo a sinistra), costruito su disegno del luganese Antonio Bettini, vi è un paliotto a tre pannelli raffiguranti al centro San Giuseppe tra Gesù Cristo e la Madonna; il quadro sopra l'altare rappresenta la Natività del Redentore ed è opera di Paolo Dufour.
Nel 1799 il convento fu spogliato di arredi e documenti. Nel 1802 l'ordine dei Teatini fu soppresso e i religiosi costretti ad allontanarsi. La carenza di manutenzione indebolì la costruzione. Dopo la Restaurazione iniziarono i lavori di restauro: nel 1829 si decorarono la cupola e le cappelle. Nel 1838 i Teatini furono sostituiti dalla Collegiata della Santissima Trinità. Nel 1846 Antonio Dupuy, sul sito della primitiva cappella di Santa Maria del Presepe, riplasmò l'Oratorio dell'Addolorata, vestibolo dell'aula della chiesa. L'altare, attribuito a Bernardo Antonio Vittone, è preceduto dalla Scala Santa; su di esso vi è una Pietà in legno di Giovanni Tamone. Alle pareti si possono osservare scene della Passione attribuite al fiorentino Pietro Antonio Palloni.
La costruzione è priva di facciata; benché sia documentato un progetto di Guarino Guarini, il fronte monumentale verso la piazza non fu mai realizzato, poiché avrebbe modificato l'omogeneità delle costruzioni adiacenti: la chiesa mantenne dunque un prospetto da edificio civile, che testimonia l'architettura originaria delle cortine sulla piazza prima delle sopraelevazioni e delle rimodellazioni tardo seicentesche e settecentesche.
Lucia Paolino
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