Die zahlreichen Industriebetriebe von Winterthur bewirkten, dass sich das einstige Bauerndorf Wülflingen nach 1900 zu einer rasch wachsenden urbanen Gemeinde entwickelte, die 1922 in die Stadt Winterthur eingemeindet wurde. Zu dieser Zeit mussten die katholischen Gläubigen zur Kirche St. Peter und Paul im Quartier Neuwiesen gehen, um den Gottesdienst zu besuchen.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Gründung einer eigenen Pfarrei vordringlich. Man begann Geld zu sammeln, und die 1953 einberufene Baukommission führte einen Architekturwettbewerb durch, den Hermann Baur für sich entscheiden konnte. Sein Projekt trug den Namen «Kelch» und konzipierte das Kirchenschiff und den Altarraum so, dass sie sich gegenseitig als zwei ineinandergreifende Ellipsen durchdringen. Damit stellte Hermann Baur architektonisch dar, was sich im Vorfeld des II. Vatikanischen Konzils (Versammlung der römisch-katholischen Weltkirche, 1962–1965) liturgisch abzeichnete: die Einheit von Gläubigen und Klerus bei der gemeinsamen Feier des Gottesdienstes.
Die 1957–1959 erbaute Kirche besitzt eine aussergewöhnliche Dachkonstruktion: 24 Pfeiler tragen die 800 Quadratmeter grosse Betondecke, die in 30-stündigem Dauereinsatz der Bauleute in einem Guss betoniert werden musste. Allein für die Schalung des Betonbaus benötigte man 1600 Quadratmeter Holz. Die Arbeiten erfolgten bei Minustemperaturen; um das saubere Abbinden des Betons zu gewährleisten, musste deshalb unter dem Gerüst Feuer entfacht werden. Die grossen, hohen Wandflächen aus Sichtbacksteinen – sie wurden erst nach den Betonarbeiten errichtet – kontrastieren warm zum Sichtbeton der Pfeiler und zum weissen Marmor der Stufen des Chores sowie von Altar und Ambo.
Von aussen erhellt wird das Innere einerseits durch das umlaufende schmale Fensterband unter der Decke und anderseits durch zwei Paare von Fenstern, die sich beim Übergang des Chorraums zum Schiff und bei der Empore über die ganze Höhe erstrecken. Auch durch das neunteilige Betongitter an der Eingangsfront dringt etwas Licht. Auf der Empore wird dieses Gitter allerdings durch die Pfeifen der neuen Orgel von 1970 verdeckt.
1970 wurde St. Laurentius zur eigenständigen Pfarrei erhoben und von St. Peter und Paul Winterthur abgetrennt. 1976 erweiterte man das Pfarrhaus, und 2008/2009 fand ein Umbau des Pfarrhauses und des Pfarreizentrums statt.
Im Jahr 2024/2025 findet eine umfassende Sanierung der Kirche statt. Die Hauptpunkte dieser Sanierung sind die Tragsicherheit der Kassettendecke und die Umplatzierung der Orgel. Dadurch wird das Betongitter an der Eingangsfront freigelegt und mehr Licht gelangt in den Raum.
