Consacrato ufficialmente nel 1830, l’edificio attuale si presenta in stile neoclassico e risale agli ultimi decenni del Settecento, opera dell'architetto veneziano Bernardino Maccaruzzi.
Sorge sull’area di una chiesa precedente, demolita nel Settecento perché ritenuta troppo piccola, di cui si sa molto poco. Se la data della sua fondazione è ignota, le fonti storiche pervenuteci attestano l’esistenza di una chiesa intitolata a San Lorenzo fin dal XII secolo, già ricostruita una prima volta intorno alla metà del Quattrocento. Oggi è rimasto il campanile quattrocentesco della precedente chiesa.
All’interno del duomo sono conservati sette altari di cui il principale, nel presbiterio, è dedicato a San Lorenzo.
Da tradizione, il 29 settembre qui si svolge la messa solenne presieduta dal Patriarca di Venezia per la festa del Santo Patrono di Mestre, San Michele arcangelo.
Il giorno successivo, il 30 settembre, si festeggia San Girolamo, a cui è dedicata la chiesa più antica di Mestre, situata nell’omonima via, a pochi passi dalla Torre dell’Orologio.
