Монастырь был основан в 1515 году на месте деревянной церкви Рождества Христова, известной с XV века. Инициатором создания обители стал удельный князь Симеон Иванович Калужский, получивший Калугу в удел от своего отца, великого князя Московского Иоанна III. Место для монастыря было выбрано не случайно: здесь подвизался праведный Лаврентий Калужский, который, согласно преданию, спас город от нападения крымских татар в 1512 году. После его кончины в 1515 году он был погребен в церкви Рождества Христова, и вскоре на этом месте возник монастырь, названный в его честь.
В XVI веке монастырь был обнесен высокой каменной стеной с башнями на четырех углах, что придавало ему вид крепости. В Смутное время обитель неоднократно становилась ареной военных действий. В 1607–1608 годах монастырь безуспешно штурмовали войска Василия Шуйского, пытавшиеся выбить из него отряды Ивана Болотникова. В 1610 году здесь укрылся Лжедмитрий II, бежавший из Тушинского лагеря; через несколько месяцев он был убит во время охоты на реке Яченке. В 1617 году, во время осады Калуги, монастырь осаждали отряды Чаплинского и Опалинского, разбитые воеводой князем Д.М. Пожарским.
В 1732 году в монастыре началось каменное строительство. К этому времени обитель была окружена высокой каменной оградой с башнями. В 1764 году, согласно духовным штатам, монастырь был причислен к третьему классу и имел настоятеля, 11 монахов, вольного писца и 8 служителей. В 1776 году в монастыре разместилась вновь учрежденная духовная семинария, которая находилась здесь до 1800 года. С открытием в 1799 году Калужской епархии Свято-Лаврентьев монастырь стал летней архиерейской резиденцией.
К началу XX века в комплекс монастырских зданий входили три каменных храма. Соборный двухэтажный храм в честь Рождества Пресвятой Богородицы был построен в 1650 году. Нижний этаж был теплым, с престолами, освященными в честь священномученика архидиакона Лаврентия, святителя Григория Неокесарийского и преподобного Никона Радонежского, а также праведного Лаврентия Калужского. Верхний этаж имел престолы в честь Рождества Христова и Вознесения Господня. В 1723 году был построен надвратный храм в честь Успения Пресвятой Богородицы, служивший приходским для монастырских крестьян слободы Подзавалье и деревни Турынино. В 1823 году при архиерейских покоях был устроен домовый храм в честь преподобного Сергия Радонежского.
