Na vrcholu Petřína, v sousedství rozhledny, stojí jednolodní barokní kostel, o kterém pověst vypráví, že na tomto místě byla vybudovaná svatyně již ke konci 10. století. Údajně proto, aby nahradila pohanské obětiště. První historická zpráva o kostelíku je z roku 1135. Honosnější stavba vznikla v době gotické, kdy císař Karel IV. nechal budovat Hladovou zeď. Barokní přestavba byla dokončena až v roce 1770 za svatovítského probošta Františka Kazimíra Strachovského, podle návrhu Ignáce Palliardiho. Josefínské reformy kostelík v roce 1784 zrušily. Jen díky tomu, že se tehdy nenašel vhodný kupec, který by ho využil pro civilní účely, zůstal zachován. Po důkladných opravách byl v roce 1840 opět vysvěcen. Rada městského zastupitelstva Prahy pronajala v roce 1994 za symbolické nájemné svatyni církvi starokatolické. Ta tu obnovila tradici vavřineckých poutí, včetně putování po kapličkách Křížové cesty.
Současná podoba kostela sv. Vavřince má ve své hmotě tři věžovité stavby. Dvě štíhlé 24,5 m vysoké věže v průčelí s barokními polokruhovými okny jsou zakončené typickými cibulovými střechami s lucernou a makovicí. Dále vysokou kopuli vestavěnou do Hladové zdi, rovněž s lucernou a makovicí. Ta je vysoká 22, 7 m.
