Per molti decenni si è ritenuto che la Cappella coincidesse con l’antica chiesetta che il duca Emanuele Filiberto   – spostata la capitale del ducato a Torino (1563) e nell’attesa di poter costruire la grande chiesa promessa alla battaglia di San Quintino – volle immediatamente dedicare a San Lorenzo, dando ad essa rilevanza anche  come prima collocazione della Santa Sindone trasferita nel 1578 da Chambery, per facilitare il pellegrinaggio dell’Arcivescovo di Milano San Carlo Borromeo (ricordato nella lapide a destra della porta di ingresso).

Invece, secondo i dati evidenziati dagli studiosi a partire da un’importante ricerca pubblicata nel 1999, la prima, provvisoria, Cappella ducale di San Lorenzo corrispondeva probabilmente ad un’antica chiesetta attigua alle mura di cinta, all’altezza del giardino del Palazzo.

La Cappella dell’Addolorata deriva dalla chiusura del portico a tre arcate che, sin dalla metà del XVII secolo (prima della costruzione della grande chiesa), era aperto verso la piazza, in continuità con il fronte degli altri palazzi.

Alla metà del XVIII secolo risalgono l’altare e la Scala Santa (12 scalini da salire in ginocchio), opera di Bernardo Antonio Vittone.

Nel 1846 definitiva sistemazione della Cappella, o Oratorio, dell’Addolorata da parte dell’architetto Alfonso Dupuy.

Nella volta affreschi sul tema della Santa Sindone; alla parete dipinti secenteschi sul tema della Passione; a sinistra, sopra la porta secondaria di ingresso, un organo del XVIII secolo ancora funzionante.

Sull’altare è posto il gruppo ligneo dell’Addolorata, rappresentante la Santa Vergine in ginocchio chinata sul Cristo morto, opera dello scultore Giovanni Tamone (1870).