La cappella dedicata a San Lorenzo venne fondata agli inizi del ‘500 da Lorenzo Cybo, nipote di Innocenzo VIII (1488-1492). Già affrescata da Pinturicchio e decorata da artisti della bottega di Andrea Bregno, si presenta oggi nella veste acquisita in virtù del radicale rinnovamento intrapreso tra il 1680 e il 1687 dal cardinale Alderano Cybo, realizzato da Carlo Fontana.

A croce greca, interamente rivestita di marmi neri e verdi, è sormontata da una cupola con affreschi di Luigi Garzi raffigurante Dio Padrein gloria; agli spigoli della crociera, sedici colonne di diaspro di Sicilia con basi e capitelli in marmo bianco. Sull'altare l'Immacolata Concezione e i santi Giovanni Evangelista, Gregorio, Giovanni Crisostomo e Agostino, olio su muro di Carlo Maratta. Sul fondo i due Monumenti funebri dei cardinali Lorenzo e Alderano Cybo, opere di Francesco Cavallini, autore anche degli angeli in bronzo dorato che sostengono la mensa dell'altare. Nel vestibolo, infine, le tele di Daniele Seyter raffiguranti il Martirio di santa Caterina d'Alessandria e di san Lorenzo (1686).