L’attuale cattedrale, intitolata a S. Lorenzo, patrono di Grosseto, è stata edificata sulla pianta della preesistente chiesa di S.Maria, eretta nel 1138, al tempo del vescovo Rollando quando Grosseto divenne sede della cattedrale vescovile. I lavori presero l’avvio verso il 1190, durante il vescovato di Gualfredo, ma si protrassero a lungo anche per le guerre con Siena. Nel 1249, un anno prima della morte dell’imperatore Federico II, all’edificio era ormai stata apposta la copertura. Ai maestri del duomo nuovo di Siena, in particolare ad Agostino di Giovanni e a suo figlio Giovanni la critica assegna la decorazione delle finestre a ogiva e del portale meridionale (1338-1340). Più tardo, per la sontuosa tipologia e risalente alla fine del ‘300, il rosone a ruota che occupa tutto il registro superiore della facciata a salienti.
Per l’incuria provocata dalla pestilenza del 1527, e dall l'incombente minaccia di incursioni piratesche,.. l'edificio subì un considerevole degrado e nel 1535 in parte crollò . Ma profonde furono le alterazioni all’assetto medievale apportate dall’intervento di restauro iniziato verso il 1538 e concluso poco dopo il 1540 dall’architetto senese Anton Maria Lari, allievo di Baldassarre Peruzzi. Fortemente invasiva fu l’aggiunta di due edicolette sul culmine dei salienti laterali e di piccoli obelischi all’ estremità del fastigio. E già alla metà del secolo XVIII la fabbrica necessitava un nuovo intervento di restauro. Iniziarono quindi negli anni 1831 1855 una serie di ricostruzioni e rifacimenti Recentissimo l’ultimo restauro, avvenuto in occasione delle celebrazioni per il VII centenario della costruzione
La pianta a croce latina, è suddivisa in tre navate da due file di pilastri e si conclude in un’ampia abside semicircolare. Principali punti di luce diffusa sono le finestre aperte nel registro superiore ed il rosone in controfacciata.