Citata verso la metà del IX secolo come dipendente della Pieve di S. Frediano di Lunata, la chiesa di S. Lorenzo risulta elevata a pieve già nell'872; tra il IX e il X secolo estende la sua influenza sull'ampio territorio collinare circostante, dal monte Gromigno alla piana, già allora accuratamente coltivato, con numerosi mulini e insediamenti agricoli. Nel X secolo buona parte delle rendite dovutele da chiese e ville soggette sono però affidate ad una potente famiglia insediata nel vicino castello. Nell'"Estimo" del 1260 il piviere di Segromigno aveva alle sue dipendenze otto chiese e due spedaletti, tra cui S. Quirico in Petroio, pervenutaci anch'essa in forme medievali.
L'edificio attuale presenta soluzioni che, pur nella dimostrata conoscenza delle novità realizzate da Buscheto nel Duomo di Pisa, la collegano alle architetture lucchesi coeve: le proporzioni e la spartizione della facciata, con la navata centrale appena emergente, rimandano alle soluzioni delle chiese di Valdottavo e Diecimo, mentre le decorazioni scultoree sono coerenti con quelle della pieve di Brancoli, nelle citazioni neo-antiche dell´architrave come nei tratti orientalizzanti dei leoni. Analogamente, nei fianchi il motivo delle lesene architravate e delle cornici modanate alla base e alle spalle delle monofore rimandano a S. Leonardo in Treponzio, altra tipica architettura lucchese del primo XII secolo. D'altra parte è marcatamente pisana l'accentuazione delle archeggiature cieche, specie se si considera che esse dovevano comparire nel timpano attorno alla bifora, prima del riassetto subito dalla zona in occasione del rialzamento settecentesco. Nel corso del Settecento l'abside fu sostituita dal coro attuale, mentre l'interno fu dotato di volta e furono aperti finestroni al posto delle monofore. Tra le opere d'arte conservatevi spiccano il Tabernacolo marmoreo con la Pietà di Baccio da Montelupo risalente al 1519 e gli affreschi di Luigi Ademollo.