Лоренцо Сабатини родился в Болонье, обучался у Просперо Фонтана, который был его учителем и соавтором; был другом Орацио Самаччини. Его стиль сформировался также под воздействием Джорджо Вазари и эмилианского маньеризма Пармиджанино.
В 1565 году он работал в мастерской Джорджо Вазари во Флоренции, где был избран членом Академии.
Меж 1566 и 1573 годами он жил в Болонье, где занимался росписью стенок нескольких церквей, в том числе Санта-Мария-делле-Грацие, Кьеза-делла-Морте, Сан-Мартино Маджоре и Сан-Джакомо Маджоре.
В 1573 году он переехал в Рим, чтоб работать под управлением Вазари в Капелла Паолина (с Федерико Цуккаро) и Сала Регия Ватикана, где принял многие из стилистических особенностей школы Рафаэля и где сделал, может быть, свою более известную картину, «Триумф Веры над неверностью». После погибели Вазари в 1574 году Григорий XIII провозгласил Сабатини смотрителем работ в Ватикане — эту должность он сохранял до собственной досрочной погибели.
Лоренцо Сабатини погиб в городке Риме в 1577 году. Посреди его учеников были гравёры Джулио Антонио Бонасоне и живописец фламандского происхождения Денис Калверт.