Sotto la signoria dei vescovi di Pisa fin dal X secolo, epoca alla quale risalgono le prime notizie che la riguardano, Lorenzana viene menzionata come castello, nel 1131, in una bolla di papa Innocenzo II. Passata sotto il dominio della repubblica pisana, fece parte del capitanato delle Colline Superiori, il cui capoluogo era Lari. Nel 1406 si assoggettò alla repubblica fiorentina e nel 1416 redasse i suoi statuti, uniti a quelli di Crespina. Due sollevazioni, una del 1431 e una del 1494, tentarono invano di cacciare i fiorentini, che ne mantennero il dominio. Nel 1722 Cosimo III concesse Lorenzana in feudo, con il titolo di contea, al nobile fiorentino Francesco Lorenzi. Nel 1783, estintasi la discendenza, Francesco Orlando Lorenzi la riconsegnò al granduca, che poco dopo la eresse in comunità autonoma. Seguì quindi le vicende dello Stato toscano fino all'unità d'Italia.

Nel passato Lorenzana era un centro prevalentemente agricolo e i suoi prodotti principali erano olio, vino, granaglie e frutta; le colline erano ricoperte di pascoli naturali e di boschi cedui, ridotti, negli ultimi due secoli, quasi interamente a coltura. Un'altra fonte di reddito era costituita dall'allevamento, cui era collegata anche una fiera annuale del bestiame. Per quanto concerne l'economia attuale, l'agricoltura, in costante diminuzione dalla seconda metà del secolo, fornisce ancora cereali, olive e uva da vino. Le attività industriali, che assorbono la quota maggiore della popolazione attiva, risultano abbastanza variegate, con aziende operanti nei settori alimentare (produzione di salumi, industria enologica), dell'abbigliamento e accessori (bigiotteria, calzaturiero, del mobile).

La popolazione del territorio comunale ammonta, nel 1991, a 1.030 unità, con una densità pari a 53 abitanti per kmq. Lorenzana contava 345 abitanti nel 1551 e 817 nel 1745. Un discreto incremento demografico si è verificato nel corso dell'Ottocento e del primo Novecento: le 1.294 unità del 1830 passano infatti a 1.491 nel 1881 e a 1.651 nel 1936; in epoca più recente si è assistito invece a un'inversione di tendenza e il numero dei residenti è sceso a 1.556 nel 1951, 1.279 nel 1961, 934 nel 1971 e 938 nel 1981.