l visitatore di oggi la chiesa si presenta come un piccolo edificio rustico e dimesso la cui facciata ha uno schema a capanna irregolare. L'interno è a tre navate divise da colonne formate con frammenti marmorei di edifici romani, le quali sorreggono, a destra, cinque archi a tutto sesto e, a sinistra, tre archi ogivali. I muri sono decorati con affreschi votivi del XV e XVI secolo molto rovinati dal tempo, dall'incuria e dai graffiti dei visitatori di tutte le epoche. Circa al centro della navata mediana, un'apertura di forma quadrata conduce alla "cripta" per mezzo di una scala a tenaglia. La cripta è un tratto di catacomba costituito da un ambiente rettangolare anch'esso decorato con pitture risalenti al periodo compreso fra il X e il XIII secolo.
Poco sappiamo sui particolari delle cause che produssero, attraverso i secoli, i mutamenti che la chiesa ha subito. Peraltro, sulla base di notizie provenienti da varie fonti, ma specialmente per merito di certezze ed ipotesi formulate da uno studio analitico delle strutture eseguito in tempi relativamente recenti e conservato nella Biblioteca comunale di Cave, è stato possibile ricostruire il processo di sviluppo storico dell'importante edificio, avvenuto in cinque fasi.
Prima fase: l'edificazione (secolo X)
a primitiva chiesa costruita dal prete Stefano era, come già detto, non più di una piccola aula rettangolare absidata, le cui dimensioni e caratteristiche ci ricordano quelle dei "chiesini" o "oratori" di campagna. Il convento - o più propriamente la struttura della parte abitativa - era unita con la chiesa dal lato destro e si sviluppava più o meno nello spazio libero oggi esistente verso meridione, tra la chiesa e l'ingresso della villa adiacente.
Seconda fase: l'ampliamento (secolo XI)
erso la fine dell'XI secolo la sede vescovile di Palestrina era retta da un vescovo scismatico nominato dall'antipapa Clemente III. Si trattava del vescovo Ugone Candido, al secolo Ugo Le Banc, il quale, con il favore di Pietro della Colonna capostipite dell'illustre famiglia, aveva fatto di Cave: "...un covo arrabbiato di antipapalini e di scismatici e soggiorno preferito del suddetto vescovo intruso che nella chiesa di San Lorenzo... volle persino riconsacrare l'altare maggiore...". Ed infatti, a ricordo di detta consacrazione avvenuta nell'anno 1093, fu deposta ai piedi dell'altare una lapide commemorativa tutt'ora esistente.
Era tanta l'affezione del vescovo Ugone Candido per l'umile San Lorenzo che provvide, seguendo un piano unitario di ristrutturazione, a fare ampliare chiesa e convento. L'ampliamento della chiesa fu ottenuto con lo sfondamento frontale e laterale dell'oratorio e con la costruzione di due navatelle laterali di dimensioni quasi uguali, e di una nuova facciata.
Ne risultò una chiesa a tre navate, con uno sviluppo longitudinale a cinque campane, così da far pensare che si sia voluto riprodurre fedelmente, ma in scala ridotta, uno schema basilicale romanico a tre navate di tipo benedettino.
Si può anche ipotizzare che sull'ingombro della prima campata nella navatella destra, possa essere stato costruito un piccolo campanile, presumibilmente poi crollato fra il 1160 e il 1170, a causa di tre terremoti che in quel periodo interessarono la zona di Cave e che ebbero rispettivamente per epicentri Frosinone, Ceccano e Veroli.
L'ingrandimento della parte conventuale fu di dimensioni ragguardevoli, tali da poter costituire una valida sede per i fedeli del vescovo scismatico che presero il posto dei padri benedettini costretti ad allontanarsi da Cave.
Terza fase: la trasformazione (secolo XIII)
lla fine del secolo XV i due edifici dovevano essere ridotti in uno stato di miserevole fatiscenza; ma, appena all'inizio del XVI secolo, un facoltoso signore di Cave, Paolo Pulani, volle assumersi l'onere di un loro totale rifacimento. I molteplici e notevoli lavori, eseguiti nel 1501 e 1502, interessarono la maggior pare delle strutture murarie: si organizzò diversamente lo spazio della navata maggiore a della sacrestia; si suddivisero su due piani le navatelle laterali e si sistemarono diversamente gli ambienti del piccolo monastero.
Da fotografie della fine del 1800 e da appunti di rilievi eseguiti prima degli ultimi restauri, è stato possibile stabilire che dopo gli interventi del Pulani la chiesa aveva assunto un aspetto consono al gusto architettonico rinascimentale con la facciata composta con rigorosa simmetria e con la copertura più alta di circa un mero rispetto alla struttura recedente. Tutta la superficie, poi, era stata ricoperta da uno strato uniforme di intonaco che lasciava scoperti soltanto gli architravi messi in opera al tempo degli ampliamenti di Ugone Candido.
Quarta fase: i restauri di Paolo Pulani (secolo XVI)
n restauro quasi totale della chiesa ed una trasformazione radicale del monastero si deve far risalire alla seconda metà del XIII secolo. Gli ampliamenti più importanti furono impostati seguendo la cultura di allora notevolmente influenzata dalla nuova arte gotica.
La navata di sinistra fu ampliata, l'abside fu tagliato e il monastero fu trasferito sul lato sinistro della chiesa. A questo periodo di trasformazioni si possono far risalire le finestre trilobate sui fianchi e sul lato absidale e i tre archi a sesto acuto che dividono la navata centrale da quella sinistra.
Quinta fase: i recenti restauri
in a tutto il secolo XIX la chiesa, pur essendo stata sempre officiata, non fu oggetto di alcun intervento di restauro. Si sa che nel 1833, di tutto il convento rimanevano soltanto due o tre stanze abitate da un eremita.
Le scarse notizie ci informano genericamente che nel 1911 la chiesa fu oggetto di alcuni interventi per eliminare tutte le parti sovrapposte dal Pulani, dopo i quali l'edificio assunse la forma asimmetrica che ancora conserva.
Poi la chiesa rimase in stato di abbandono fino al 1958 allorché la Soprintendenza ai Monumenti di Roma decise di intervenire date le condizioni di estremo degrado a cui la struttura era giunta. I lavori, eseguiti fra il 1961 e il 1963, consisterono principalmente nella sistemazione del tetto, nelle opere di isolamento, nel consolidamento delle murature, nella spicconatura di tutti gli intonaci ed, infine, nella sistemazione del pavimento.