La chiesa, progettata dall’architetto romano Virginio Bacci, ha pianta circolare con otto colonne interne che sorreggono archi a tutto sesto e ospita cappelle laterali. A partire dal 1925, venne ristrutturata e decorata secondo lo stile dell’epoca. In quel periodo, Ciro Pavisa (1890-1973) affrescò l’abside con episodi della vita di San Lorenzo.
Gli affreschi, accompagnati da un’epigrafe che ne chiarisce il significato. Da sinistra: Guarigione degli ammalati (“Diede la vista ai ciechi”), I Tesori della Chiesa (“Questi sono i tesori della Chiesa”), Il supplizio sulla graticola (“Sulla graticola non negò Dio”), Arresto di Sisto II (“Dove vai, padre, senza il figlio?”), ed Esercizio del Ministero (“Sbrigati a battezzarmi”).

Nella prima cappella a destra dell’ingresso si trova il Trittico di Stefano Folchetti di San Ginesio datato 1507, come riportato nel cartiglio centrale. Al centro del trittico è rappresentato lo sposalizio mistico di Santa Caterina d’Alessandria con Gesù. Ai lati sono raffigurati San Lorenzo martire e San Pietro apostolo. Sulla predella sono ritratti i dodici apostoli, con il Cristo al centro. Nei pilastri laterali, a sinistra, sono raffigurati San Sebastiano, San Francesco d’Assisi e San Nicola da Tolentino, mentre a destra ci sono San Rocco, Sant’Agata e Santa Apollonia. Nei semipennacchi è rappresentata l’Annunciazione.

Nella seconda cappella a destra dall’ingresso si trova l’altare del Sacro Cuore, la cui effige, molto venerata dagli urbisagliesi, fu portata in processione nell’aprile del 1893 per invocare la pioggia dopo un lungo periodo di siccità. Secondo la tradizione, la richiesta fu esaudita, e da allora, ogni 28 aprile, si celebra ad Urbisaglia la festa votiva del Sacro Cuore. Ai lati dell’altare si trovano altri due affreschi di Pavisa: la Crocifissione e l’Ultima Cena.

Nella seconda cappella a sinistra dall’ingresso è visibile la tela della Madonna del Rosario, un’opera che imita lo stesso soggetto dipinto da Lorenzo Lotto e conservata a Cingoli nella chiesa di San Domenico. Datata 1577, la tela raffigura la Madonna in trono con il Bambino, circondata dalla rappresentazione dei 15 misteri del Santo Rosario, legati fra loro da una corona.
Sulla sinistra della cappella si trova un’altra tela che rappresenta la Madonna circondata dai santi patroni di Urbisaglia: papa San Pio V, San Lorenzo martire, San Giorgio e San Marone.