La sacristía fue diseñada por Brunelleschi y su construcción se realizó entre 1421 y 1440, como anexo a la Basílica de San Lorenzo y costeado por la familia Medici, situando en el interior sus tumbas.

La sacristía se sitúa en el lado izquierdo del transepto de la basílica. Comenzó a llamarse Sacristía Vieja después de la construcción en 1510 de otra sacristía (Sacristía Nueva) al otro lado del transepto, obra de Miguel Ángel.

La planta se compone a través de las figuras geométricas regulares del cuadrado y del círculo, traduciéndose espacialmente en un cubo cubierto con una cúpula de media esfera. Aunque la cúpula no tiene un diseño novedoso, lo realmente original fue la forma de integrarla en la proporción del espacio inferior a ésta.

El espacio interior guarda una proporción tal que el radio de la cúpula es igual a la altura de la zona intermedia de arcos no estructurales y pechinas e igual a la zona inferior. A este espacio se une otro similar más pequeño dónde se sitúa el altar.

El interior del espacio principal está articulado rítmicamente por pilastras que enfatizan el espacio unitario. Estas pilastras no tienen función estructural, siendo esto una de las novedades introducidas por el arquitecto. El uso del orden corintio en los capiteles constituye un legado de los estudios de Brunelleschi de la arquitectura Romana.

La cúpula mayor, nervada, está repartida en doce gajos, que simbolizan los Apóstoles, mientras la cúpula pequeña representa la bóveda celeste con los signos zodiacales.

El interior de la Sacristía está policromado. La decoración con historias de San Juan Evangelista y los cuatro evangelistas de los tondos de las pechinas son obra de Donatello, que también hizo dos puertas en bronce, así como sus relieves. Estas puertas son llamadas, por las figuras que están ahí representadas, de los mártires y de los Apóstoles.