Lorenzo Tonelli est un défenseur central capable également de dépanner au poste de latéral droit. Sa puissance physique et ses capacités athlétiques en font un joueur très efficace dans les duels, notamment dans le jeu aérien. Pur produit du centre de formation d’Empoli, Tonelli fait ses classes dans les équipes de jeunes du club toscan et débute sa carrière professionnelle en septembre 2010. Malgré un gros potentiel il joue finalement peu lors de ses deux premières saisons. C’est en 2012 avec l’arrivée de Maurizio Sarri à la tête des azzurri qu’il explose véritablement. Il enchaîne en effet deux saisons pleines où il joue près de 80 matchs et s’impose alors comme le véritable taulier de la défense toscane. Au cours de la saison 2013-14 il est un des protagoniste principal de la montée du club en Serie A, et découvre donc l’élite du football italien à 24 ans.