Sulla Basilica insiste un antichissimo Titolo Cardinalizio, originariamente conosciuto come San Lorenzo al Teatro di Pompeo e successivamente San Lorenzo in Damaso, istituito da Papa Sant'Evaristo (96/99-105/106 o 108) e successivamente confermato da Papa San Damaso I (366-384).
Ecco l'elenco dei Cardinali Titolari di cui si ha notizia:
- Damaso (?-366, anno in cui è stato eletto Papa Damaso I, venerato come Santo)
- Bonifacio (415-418, anno in cui è stato eletto Papa Bonifacio I, venerato come Santo)
- Prospero d'Aquitania (432-?, venerato come Santo)
- Projettizio (menzionato nel 499)
- Lorenzo (499-500)
- Specioso (o Specio) (500-?)
- Specioso e Leone (menzionati nel 595)
- Epifanio (menzionato nel 721)
- Leone (prima del 745 - prima del 761)
- Marino (761 - ?)
- Leone (853 - ?)
- Adriano (875 - ?)
- Cristoforo (900 circa - 903, divenuto antipapa)
- Pietro (946 - prima del 964)
- Pietro (964 - prima del 993)
- Pietro (prima del 1012 - 1027 circa)
- Giovanni (1033 - prima del 1049)
- Leone (1049 - 1072 circa)
- Riso (o Richo) (1088 - 1112)
- Adeodato (1116 - dopo la primavera 1129, deceduto)
[Stefano Stornato (1130-1132), promosso a questa sede dall'antipapa Anacleto II, la promozione è annullata da Papa Innocenzo III con la sottomissione di Stornato al Pontefice]
- Angelo (1133-1138, deceduto)
- Yves (1138-1143, deceduto)
- Guido Moricotti (1143-1150 circa)
- Nikolaus (1150 - 1151, deceduto)
- Giovanni Paparoni (o Paparo, o Paperone) (1151 - 1158 circa, deceduto)
- Pietro di Miso (1165 - 1182, deceduto)
[Ottone (o Othon) (1172 - 1173), pseudocardinale creato dall'antipapa Callisto III]
- Pedro de Cardona (1181 - 1183, deceduto)
- Uberto Crivelli (1182 - 1185, deceduto)
- Pietro (1188-1190, deceduto)
- Pietro Collevaccino (1216 - 1217, nominato Cardinale Vescovo di Sabina)
- Pietro Campano (Campanus) (1216 - 1217, deceduto)
- Matteo d'Acquasparta (1288 - 1291, nominato Cardinale Vescovo di Porto e Santa Rufina)
- Francesco Ronci (1294, deceduto)
- Nicolas de Nonancour (o l'Aide) (dopo il 13 Ottobre 1294 - 1299, deceduto)
- Arnaud Nouvel (o Novelli), in commendam (1317, deceduto)
- Ugo Roger (1342-1363, deceduto)
Titolo vacante (1363-1368)
- Pierre de Banac (o Chinac) (1368-1369, deceduto)
- Pietro Corsini (1370-1374, nominato Cardinale Vescovo di Porto e Sant Rufina)
- Bartolomeo da Cogorno (1381-1386, deceduto)
- Angelo Acciaioli Iuniore (1385-1397, nominato Cardinale Vescovo di Ostia-Velletri)
[Juan Martinez de Murillo (1408-1420, deceduto), pseudocardinale creato dall'antipapa Benedetto XIII]
- Giordano Orsini (1409-1412), in commendam (1412-1438, deceduto)
Titolo vacante (1420-1440)
- Ludovico Scarampi-Mezzarota Trevisano (1440-1465, nominato Cardinale Vescovo di Albano)
[Aleksander Ziemowit (1440-1444, deceduto), pseudocardinale creato dall'antipapa Felice V]
[Lancelot de Lusignan (1447-1451), pseudocardinale creato dall'antipapa Felice V]
- Juan de Mella (1465-1467, deceduto)
Titolo vacante (1467-1480)
- Raffaele Sansoni Galeotti Riario, Diaconia pro illa vice (1480-1503), in commendam (1503-1517, dimesso)
- Giulio de' Medici (1517-1523, eletto Papa con il nome di Clemente VII)
- Pompeo Colonna (o Pompeio) (1524-1532, deceduto) (privato 1526-1527)
- Ippolito de' Medici (1532-1535)
- Alessandro Farnese il Giovane, Diaconia pro illa vice (1535-1564); (1564); in commendam (1564-1589, deceduto)
- Alessandro Damasceni Peretti, Diaconia pro illa vice (1589-1620); in commendam (1620-1623, deceduto)
- Ludovico Ludovisi (1623-1632, deceduto)
- Francesco Barberini Seniore, Diaconia pro illa vice (1632-1644); (1644-1645); in commendam (1645-1679, deceduto)
- Lorenzo Raggi (1679-1680, nominato Cardinale Vescovo di Palestrina)
Titolo vacante (1680-1689)
- Pietro Ottoboni, Diaconia pro illa vice (1689-1724); (1724-1725); in commendam (1725-1740)
- Tommaso Ruffo, in commendam (1740-1753)
- Girolamo Colonna di Sciarra, Diaconia pro illa vice (1753-1756, nominato Cardinale Diacono dei Santi Cosma e Damiano)
- Alberico Archinto (1756-1758, deceduto)
- Carlo Rezzonico (1758-1763, nominato Cardinale Presbitero di San Clemente)
- Enrico Benedetto Stuart, in commendam (1763-1807, deceduto)
- Francesco Carafa della Spina di Traetto (1807-1818, deceduto)
- Giulio Maria della Somaglia, in commendam (1818-1830, deceduto)
- Tommaso Arezzo, in commendam (1830-1833, deceduto)
- Carlo Odescalchi, in commendam (1833-1834, dimesso)
- Carlo Maria Pedicini, in commendam (1834-1843, deceduto)
- Tommaso Bernetti (1844-1852, deceduto)
- Luigi Amat di San Filippo e Sorso, in commendam (1852-1878, deceduto)
- Antonio Saverio De Luca, in commendam (1878-1883, deceduto)
- Teodolfo Mertel (1884-1899, deceduto)
- Lucido Maria Parocchi, in commendam (1899-1903, deceduto)
- Antonio Agliardi (1903-1915, deceduto)
- Ottavio Cagiano de Azevedo (1915-1927, deceduto)
- Andreas Fruhwirth (1927-1933, deceduto)
- Tommaso Pio Boggiani, in commendam (1933-1942, deceduto)
Titolo vacante (1942-1958)
- Celso Costantini (1958, deceduto)
- Santiago Luis Copello (1959-1967, deceduto)
- Luigi Traglia (1969-1972, nominato Cardinale Vescovo di Albano)
- Narciso Jubany Arnau (1973-1996, deceduto)
- Antonio Maria Rouco Varela (dal 1998)
Statua all'interno della Basilica: