El templo actual se construyó a lo largo del siglo XVII sobre una primitiva iglesia gótica –hacia 1300- dedicada ya a San Lorenzo. El primitivo templo se ubicó en uno de los barrios fuera de la muralla de la ciudad medieval: “la Alquibla” o Morería, donde la mayor parte de la población era islámica; no obstante, a lo largo de los siglos XII y XIII los cristianos comenzaron a instalarse en él, conviviendo en relativa paz con los musulmanes oscenses.

El edificio bajomedieval fue mandado construir por el rey Jaime II y aprovechado en parte para levantar el edificio actual.

De la construcción gótica se conserva parte de la torre –embutida en la actualidad en la fachada-; el atrio –por el que se penetra al interior del templo- y los restos del fragmentado retablo mayor, obra en pintura sobre tabla de finales del siglo XV del pintor Pedro Díaz de Oviedo, que hoy se pueden contemplar en el Museo Diocesano de Huesca.

En 1607 se procedió a derruir el edificio gótico, pues éste quedaba pequeño ante el gran número de fieles y la creciente devoción popular hacia el santo oscense. En 1608 se colocó la primera piedra del templo actual. La obra comenzó con más entusiasmo popular que recursos económicos, siendo en numerosas ocasiones los propios ciudadanos y trabajadores quienes, con sus manos y jornales, levantaron el templo sin pedir recompensa económica a cambio.

Se inició la construcción por la cabecera y el presbiterio, dirigiendo las obras de cimentación Miguel Recondo. Se diseñó un edificio de tres naves de igual altura, separadas por gruesos pilares cruciformes y con capillas entre contrafuertes que coinciden con los cuatro tramos en que se divide cada nave. Tanto la nave central como las capillas se cubrieron con bóvedas de lunetos, mientras que las laterales lo hicieron con bóvedas de arista.

Se desconoce el autor de este proyecto original del templo, sin embargo, parece claro que se dejó influenciar por el lenguaje arquitectónico del clasicismo escurialense característico del siglo anterior, al mismo tiempo que incorpora elementos decorativos y ornamentales propios del monumento y el estilo barroco que domina el siglo XVII.

Entre 1608 y 1611 fue levantada y cubierta la cabecera y el presbiterio. Trabajó en la obra Antón Mendizábal con la colaboración de Juan de Labatha y Martín Eguereta.

La obra sufrió numerosas interrupciones, al no disponer de recursos económicos suficientes y depender, en numerosas ocasiones, de las donaciones y limosnas de ciudadanos oscenses.

Entre 1618 y 1620 se levantaron las columnas y abovedamientos en naves y capillas, colaboró en las obras Juan Martínez. Durante los años 1621 y 1623 se trabajó en la cúpula del crucero. Lorenzo San Juan colaboró en las obras el último año. La cúpula de media naranja, y sobre pechinas, se revistió por su interior de azulejos –perdidos en la actualidad- y se ornamentó su clave con un gran rosetón sobredorado obra del escultor Jusepe Garro . Dicha cúpula se rehizo en el siglo XVIII. En 1624 la obra se dio por finalizada celebrándose la primera Misa el día de San Orencio, obispo de Auch y hermano del titular. Sin embargo, el templo había mantenido el culto de forma ordinaria durante el transcurso de las obras, trasladando las celebraciones más importantes a la Seo oscense. En 1665 estaban terminadas todas las capillas con sus altares y retablos correspondientes, aunque alguna de ellas fue modificada en siglos posteriores.