Net del catedràtic de dret Francesc Xavier Llorens i Nin i el metge i agrarista Manuel Barba i Roca, pertanyia a una família de propietaris del Penedès. Inicià els estudis de filosofia i dret a la Universitat de Cervera i els acabà a la de Barcelona, on des del 1847 ensenyà geografia i fou catedràtic de metafísica fins a la seva mort. Fou, ensems amb Ramon Martí d’Eixalà, de qui era deixeble, el representant més important de l’anomenada escola de Barcelona. Les seves influents lliçons el consagraren com un dels mestres de la seva generació i contribuí a despertar la consciència sobre la pròpia identitat respecte al poder centralitzador. Els apunts de les lliçons del curs 1855-1856 defineixen la llengua com la principal característica nacional, cosa que serviria a les formulacions teòriques del federalisme i del nacionalisme catalans.
La seva filosofia proposava la superació de l’empirisme i el racionalisme amb una síntesi dels elements de veritat que les dues filosofies tenen, en la qual les veritats ontològiques deriven de l’anàlisi de la realitat que considera bàsica, la consciència a través de la consciència, la introspecció, i de l’anàlisi psicològica entesa a la manera de la ideologia. Una cultura arriba a la maduresa a través de l’autoconeixement (nosce te ipsum) i de l’exercici de la seva potencialitat i llavors pot manifestar-se la pròpia filosofia o l’esperit nacional (el volksgeist herderià). Seguí fonamentalment l’escola escocesa del sentit comú, en la versió de Hamilton, cosa que comportà una certa influència kantiana. Recolzà el manteniment del dret català a partir de l’escola històrica de dret seguida pel seu oncle Fèlix Barba i Rabella, com també per Manuel Duran i Bas i altres polítics liberals catalans.
Publicà, només, el discurs inaugural del curs 1854-55 de la Universitat, Sobre el desarrollo del pensamiento filosófico, on afirma que el pensament autòcton sorgeix progressivament, preparant el terreny mitjançant la formació de les generacions per a la seva maduració, i no de manera sobtada. La conjuntura centralista del moment no li permetia ser explícit sobre la nació abstracta a què es referia, però el seu auditori el formaven els deixebles que desenvoluparien els treballs de la Renaixença i del catalanisme polític. Foren deixebles seus Torras i Bages, F. Giner de los Ríos, Masferrer i Arquimbau, Rubió i Lluch, Menéndez Pelayo, Gaudí i Verdaguer, entre d’altres. L’any 1920 la Universitat de Barcelona publicà, com a homenatge a Menéndez y Pelayo, deixeble i admirador de Llorens, les Lecciones de filosofía, versió revisada dels apunts taquigràfics que Balari i Jovany havia pres de les classes de Llorens els cursos 1864-65 i 1867-68. La publicació posà punt final a una llarga discussió entre els qui interpretaven Llorens segons els criteris de la filosofia neotomista (Milà i Fontanals, Torras i Bages) i els qui en destacaven els elements racionalistes protocientífics (Eugeni d’Ors), confirmació que el pensament llorensià destaca per la voluntat d’equilibri (conciliació) entre l’espiritualisme cristià i les aportacions del coneixement materialista característic de la seva època.