La chiesa è una delle tante costruite, secondo tradizione, da Matilde di Canossa (1046-1115).

Le sue forme, chiara ripresa dell'anastasis di Gerusalemme e quindi evocative del sepolcro di Cristo e della sua risurrezione, la pongono in rapporto con la vicina basilica di Sant'Andrea, ideale calvario dove da dodici secoli si venera il Sangue di Cristo. Per altri aspetti costituisce un raro esempio di architettura romanica padana a pianta circolare, con deambulatorio e matroneo adorni di affreschi coevi.

Mantova è centrale, assieme alla rocca appenninica di Canossa (Reggio Emilia), nella storia di Matilde di Canossa.  A Mantova suo padre Bonifacio trasferì il centro della dinastia intorno al 1012, erigendovi un palatium davanti al quale teneva un leone legato, in segno di potenza. Questo palazzo si doveva trovare tra le attuali piazza Broletto e piazza Erbe.

La Rotonda di San Lorenzo sarebbe stata annessa al palazzo comitale e avrebbe avuto la funzione di cappella palatina dei Canossa, a imitazione del palazzo di Carlo Magno ad Aquisgrana.

Più probabilmente essa va collegata, nella sua forma circolare che imita il Santo Sepolcro, al monastero benedettino di Sant'Andrea, fondato nel 1037, e al culto dei Sacri Vasi col sangue di Cristo, raccolto dal centurione Longino sul Golgota. Farebbe così parte di un itinerario ierosolimitano, testimoniato in Mantova da un'altra rotonda (ora scomparsa) a Belfiore, che culminava nel monastero di Sant'Andrea.

Anche se l'edificio è databile alla fine dell'XI secolo, non è sicuro l'intervento di Matilde nella sua costruzione, cui farebbe pensare la data 1083, graffita nel quattrocento all'interno dell'edificio, sul paramento murario perimetrale.

Suo padre, Bonifacio, sembra essere stato presente al ritrovamento dei Sacri Vasi; e in questi luoghi Matilde visse la sua infanzia, sino a quando, nel 1052, il padre venne ucciso in una battuta di caccia a San Martino dall'Argine (è ora sepolto nel Duomo di Mantova).

Ella favorì con donazioni sia la canonica della cattedrale che il monastero di Sant'Andrea, fondando per esso l'ospedale di Ognissanti; in Mantova si rifugiò il suo consigliere spirituale,  Sant'Anselmo di Lucca, che vi morì nel 1086, e divenne il santo patrono della città, ed il cui corpo incorrotto si conserva ancora sotto l'altare della cattedrale.

Ma il desiderio di autonomia dei mantovani fece sì che la città passasse dalla parte dell'imperatore Enrico IV, nel 1091, restando ribelle alla Contessa sino alla vigilia della sua morte, nel 1115.