La basilique : la chapelle Bolognini avec ses fresques du XV^ème siècle de Giovanni da Modena, la chapelle dei Notai avec ses vitraux de la même époque de Jacob Griesinger, et enfin, la chapelle musicale bolonaise dont le symbole est un orgue encore fonctionnel construit vers 1470 par Lorenzo da Prato (le plus vieil orgue encore utilisé au monde) sont réputées.

La façade est de Giacomo Ranuzzi qui y commença le revêtement en marbre (inachevé) en 1538 sur le projet de Domenico da Varignana. La partie terminée présente les oeuvres des sculpteurs Jacopo della Quercia, Amico Aspertini et Alfonso Lombardi. L'intérieur possède un admirable sens du classique, loin du gothique d'outre-monts. Il est divisé en trois nefs soutenues par dix piliers au contour polygonal, sur lesquels s'élancent des arcades et des voûtes.

Le cadran solaire de San Petronio est le plus long du monde (longueur : 67,72 mètres, orifice de lumière à 27 mètres du sol, distance entre les solstices : 56 mètres).

La basilique : elle est consacrée au protecteur de la ville (le huitième évêque de Bologne de 431 à 450), et elle est la plus grande et plus importante église de Bologne : c'est en 1390, sous la direction de Antonio di Vicenzo que la construction de l'édifice commença. Le projet original a été commandé à l'architecte afin de célébrer le pouvoir reconquis par la commune.

En 1514, Arduino degli Arriguzzi propose un nouveau projet en forme de croix latine, qui de par sa taille aurait dépassé l'église de Saint Pierre à Rome. Selon la légende le pape Pie VI bloqua la réalisation de ce "rêve mégalomane". La façade resta inachevée, la couverture de la nef majeure et la fermeture de l'abside furent terminées seulement en 1663 sur le projet de Girolamo Rainaldi et sous la direction de Francesco Martini. Les nefs mineures furent fermées par des murs rectilignes.