Nella sua longeva carriera, decollata a un'età relativamente avanzata, in singolare ha vinto un torneo del circuito maggiore a Kitzbühel nel 2016, mentre nelle prove del Grande Slam non ha mai superato gli ottavi di finale. Vanta inoltre 21 titoli dell'ATP Challenger Tour ed è stato 33º del ranking ATP nel 2017.
Carriera I primi anni da professionista: tornei Futures e Challengers La sua carriera professionistica inizia nel 1999 al Futures di Valdengo; nel corso dell'annata e di quella successiva non va oltre il secondo turno. Nel 2001 raggiunge per la prima volta i quarti a Trani. Nel 2002 perde allItaly F4 di Oristano la sua prima semifinale, la settimana successiva disputa all'Italy F5 di Selargius la prima finale e viene sconfitto dal francese Cadart.
Nel 2003 debutta anche nel circuito Challenger a Recanati con una sconfitta. La settimana successiva si spinge fino alla semifinale e cede a Francisco Fogues. Al Futures di Valpovo in Croazia conquista il primo titolo in carriera. Nei successivi tornei non va oltre i quarti di finale; a fine anno avrà guadagnato 138 posizioni del ranking. Nel 2004 raggiunge i quarti nei Challenger di Mantova e San Benedetto del Tronto e l'unica semifinale dell'anno a Cordenons, ma gli scarsi risultati della parte finale di stagione lo fanno uscire dalla top 300. Nel 2005 raggiunge la semifinale al Challenger di Canberra e in estate conferma i quarti a Mantova; stesso risultato ottiene a Trani in agosto e a Sunderland in novembre chiudendo la stagione al 264º posto, dopo aver toccato la 247ª posizione.
Nel 2006 ottiene il suo primo accesso in un main draw del circuito maggiore superando le qualificazioni al torneo di Adelaide con i successi su Jean-René Lisnard, Jamie Delgado e Frédéric Niemeyer. Al primo turno incontra un giovanissimo Andy Murray che lo sconfigge in rimonta. Raggiunge la finale al Challenger di San Luis Potosí e viene sconfitto da Rainer Eitzinger in tre set. Esce nei quarti al Challenger di Roma e in semifinale a Milano e a Costanza. Conquista a settembre il suo primo titolo Challenger a Tarragona senza perdere alcun set e battendo in finale Younes El Aynaoui per 6-4, 7–6(4). La vittoria lo porta al 171º posto del ranking mondiale, posizione che migliora ulteriormente nei mesi successivi fino al 164º posto, ottenuto dopo il torneo di Barcellona, dove viene superato nei quarti da Federico Luzzi.
2007 L'ingresso tra i primi duecento del mondo gli permette di giocare le qualificazioni dei tornei del circuito maggiore. Viene eliminato al primo turno degli International Series di Costa de Sauipe, di Buenos Aires e all'International Series Gold di Acapulco. Al Challenger di Salinas raggiunge la semifinale sia in singolare che in doppio con Fernando Vicente. Esce al primo turno delle qualificazioni nei Masters di Miami e Monte Carlo. Entra invece nel tabellone principale a Barcellona dove al primo turno supera dopo 170 minuti di gioco Stefano Galvani per 6-7, 6-2, 7–6 e viene eliminato da Agustín Calleri. Nelle qualificazioni del Roland Garros perde al terzo turno e in quelle di Wimbledon al secondo. Alle qualificazioni degli Us Open esce di scena dopo il primo match.
2008 Anche alle qualificazioni degli Australian Open 2008 viene subito eliminato e a febbraio vince un titolo Futures in Italia. A Dubaie al Masters di Roma perde al primo turno delle qualificazioni, mentre supera un turno di qualificazioni al Roland Garros ed esce al secondo è battuto da Marc López. ASi aggiudica il titolo al successivo Challenger di Alessandria battendo in finale Simone Vagnozzi per 4-6 7-6 7-6.
Anche a Wimbledon perde al primo turno di qualificazione mentre agli Us Open esce al secondo. Chiude l'anno Lorenzi a ridosso della top 200 in singolare. In doppio si impone nel Challenger di San Benedetto del Tronto in coppia con Júlio Silva e in due Futures in coppia con Giancarlo Petrazzuolo, con il quale raggiunge anche una finale in un Challenger e una in un Futures.
2009 Come nel 2008 esce al primo turno nelle qualificazioni agli Australian Open, la settimana successiva ottiene il suo sesto titolo (quarto del circuito Futures) ad Abidjan senza perdere alcun set. A Dubai supera un turno di qualificazioni contro Marco Crugnola e perde al secondo turno contro Marco Chiudinelli. Nei mesi successivi si dedica con buoni risultati al circuito Challenger, in aprile esce in semifinale a Roma e perde poi le finali a San Luis Potosí da Santiago Giraldo e a Tenerife, di nuovo contro Chiudinelli. Sfiora la qualificazione al Roland Garros, dove elimina Guillermo Cañas e Daniel Muñoz de la Nava e perde contro Ilija Bozoljac.
Il mese successivo si aggiudica il Challenger di Reggio Emilia, elimina tra gli altri Daniele Bracciali e Flavio Cipolla e in finale ha la meglio su Jean-René Lisnard per 7-5, 1-6, 6-2. Si ripete subito dopo vincendo il Challenger di Fiume dove supera al secondo turno il nº 68 del mondo Iván Navarro e batte in finale Blaž Kavčič in due set. A luglio arriva ai quarti sia a Recanati che a Orbetello dove conquista anche il secondo titolo Challenger in doppio, di nuovo in coppia con Petrazzuolo. Dopo le semifinali a Como centra il terzo titolo dell'anno al Ljubljana Open vincendo in rimonta la finale contro Grega Žemlja per 1-6, 7–6, 6-2. La successiva finale persa a Tarragona contro Daniel Gimeno Traver gli consente comunque di entrare per la prima volta nei primi 100 del ranking ATP; viene inoltre ammesso al tabellone principale del torneo ATP 250 di Lione e viene eliminato al primo turno. Chiude la stagione con il nuovo miglior ranking di singolare all'84º posto mondiale.
2010 La migliorata situazione di classifica gli permette di accedere ad altri tabelloni principali del circuito ATP ed esce al primo turno a Doha e a Auckland. Accede anche per la prima volta in carriera al tabellone principale di uno Slam agli Australian Open e cede al primo turno a Marcos Baghdatis per 6-2, 6-4, 6-4. Ritocca comunque il miglior ranking ATP in singolare arrivando all'83ª posizione. Esce insieme a Christophe Rochus anche al primo turno in doppio. Esce al primo turno anche nei successivi quattro tornei ATP 250 e al suo debutto nei Masters 1000 di Indian Wells e di Miami. Accede invece al secondo turno al Masters 1000 di Roma con la vittoria su Albert Montañés e viene battuto da Robin Söderling in due set. A maggio viene convocato per la prima volta da Corrado Barazzutti per la Coppa Davis per la sfida contro i Paesi Bassi, viene schierato a risultato acquisito e porta agli azzurri il quarto punto battendo Igor Sijsling per 6-4, 6-3.
A maggio debutta anche allo Slam parigino ed esce al primo turno. Gioca anche il doppio in coppia con Andrej Golubev, superano al primo turno Falla e Giraldo e vengono eliminati da Ascione/Recouder, risultato con cui sale al 267º posto nel ranking di doppio. A Wimbledon ritrova Albert Montañés e perde in tre set. Sull'erba aveva già debuttato al Queens battendo al primo turno Pere Riba per poi essere eliminato dal nº 3 del mondo Novak Đoković. Nella seconda metà dell'anno l'unico 250 a cui prende parte è quello di Umago e non supera il primo turno. Al Challenger di Rimini conquista l'unico trofeo in singolare dell'anno, battendo in finale Federico Delbonis 6-2, 6-0. A ottobre vince anche un titolo di doppio al Challenger di Asunción in coppia con Fabio Fognini, superano in finale per 6-3, 6-4 Carlos Berlocq e Brian Dabul.
2011 Partendo da una classifica peggiore rispetto a dodici mesi prima, non ha molte occasioni di giocare i tornei del circuito maggiore. Tenta le qualificazioni al 500 di Dubai ed esce al secondo turno. A marzo supera le qualificazioni al Masters di Miami ai danni di João Souza e Daniel Muñoz de la Nava, al primo turno batte Ivan Ljubičić 7–6, 6-1, prima di arrendersi in due set al nº 18 del mondo, Richard Gasquet. In primavera vince il doppio al Challenger di Barranquilla in coppia con Flavio Cipolla, grazie al successo in finale su Alejandro Falla e Eduardo Struvay. Vince anche il singolare all'Open Pereira, dove conquista il suo settimo titolo Challenger superando in finale Rogério Dutra da Silva. A maggio supera i due turni di qualificazione agli Internazionali d'Italia contro Pablo Andújar e di Gianluca Naso per poi eliminare al primo turno Thomaz Bellucci per 7–6, 6-3. Al secondo turno il tabellone gli riserva lo scontro con Rafael Nadal al quale Lorenzi strappa il primo set per 7–6 e perde i restanti due.
Sconfitto nelle qualificazioni al Roland Garros, esce in semifinale al Challenger di Fiume e in coppia con Júlio Silva si aggiudica il titolo di doppio senza perdere alcun set. Esce nelle qualificazioni in singolare anche a Wimbledon, mentre in coppia con Flavio Cipolla le supera in doppio e vengono eliminati al primo turno. Sempre in doppio, esce con Fabio Fognini al primo turno anche al torneo di Stoccarda, mentre le semifinali raggiunte al Challenger di Orbetello in coppia con Matteo Baldi gli permette di salire al 169º posto nel ranking. Nella trasferta negli Stati Uniti esce al primo turno a Washington e nelle qualificazioni degli US Open. L'ultimo risultato di rilievo dell'anno arriva con il titolo al Challenger di Lubiana, dove si conferma campione senza perdere alcun set e a fine anno risale al 108º posto del ranking.
2012 Al primo turno degli Australian Open il sorteggio gli oppone subito Novak Đoković, che gli concede solo due giochi. La settimana successiva disputa l'unica finale di doppio dell'anno, persa in coppia con Miguel Lopez Jean al Challenger di Bucaramanga. Eliminato al primo turno del 250 di Viña del Mar, perde la finale al Challenger Salinas contro Guido Pella e rientra nella top 100. Supera le qualificazioni a Indian Wells ed esce al primo turno. Subito dopo perde anche la finale al Challenger di Guadalajara contro Thiago Alves. Esce nelle qualificazioni anche al successivo Masters 1000 di Miami. Di nuovo raggiunge la finale al Challenger di San Luis Potosí e viene battuto da Rubén Ramírez Hidalgo. Nel 250 di Houston supera Wayne Odesnik in tre set e al secondo turno viene eliminato dal nº 15 del mondo Feliciano López. Perde la finale anche al Challenger di Sarasota contro Sam Querrey.
Eliminato al turno di esordio al 500 di Barcellona, all'Estoril supera Édouard Roger-Vasselin e al secondo turno raccoglie solo due giochi contro il futuro finalista del torneo Richard Gasquet. Perde al secondo turno contro Gasquet anche al Foro Italico è Gasquet, dopo che l'italiano aveva superato all'esordio Nikolaj Davydenko in tre set. Non va oltre il primo turno al Roland Garros e sull'erba del Queen's, mentre sconfigge Ivan Dodig a 's-Hertogenbosch e viene eliminato al secondo turo da Xavier Malisse. Esce di nuovo al primo turno a Wimbledon e nei 250 di Umago e di Atlanta. Coglie il primo successo dell'anno nel Challenger di Cordenons con la vittoria in finale su Daniel Gimeno Traver per 7–6, 6-3. Il sorteggio degli US Open gli mette di nuovo subito di fronte Novak Đoković, contro il quale deve di nuovo accontentarsi di due soli game. A settembre raggiunge la sesta finale di stagione al Challenger di Todi ed è costretto al ritiro contro Andrej Kuznecov quando era in svantaggio 3-6, 0-2.
Costretto al ritiro anche al secondo turno al 250 di San Pietroburgo, a Vienna supera in due set la testa di serie nº 7 Benoît Paire e Vasek Pospisil prima di arrendersi ai quarti contro Gilles Müller. Il secondo titolo stagionale giunge nel Challenger di Medellin con il successo dopo tre ore di gioco su Leonardo Mayer per 7-6, 6-7, 6-4. Mayer si prende la rivincita la settimana successiva in finale al Challenger di Guayaquil vincendo in due set. Lorenzi porta il miglior ranking alla 63ª posizione. Partecipa come testa di serie nº 2 alla seconda edizione delle ATP Challenger Tour Finals, vince solo il primo match contro Gastão Elias e viene eliminato dopo le sconfitte subite nel round robin contro Victor Hănescu e Aljaž Bedene.
2013 – Primo titolo ATP in doppio