Den firkantede bygningen ble oppført av Filip II 1563-84 av grå granitt i sammehengende lengder, inndelt ved hjelp av gårdsrom. Grunnplanen var tenkt å etterligne en grill, et av Sankt Laurentius' attributter i ikonografien. Stilen er italiensk høyrenessanse i Michelangelos ånd. Slottskirken har kopiert dennes plan for Peterskirken om enn i noe mindre format. Foruten den store sentralkuppelen har den to fasadetårn. Arkitekt var hovedsakelig Juan de Herrera.