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A primeira igreja foi erguida no século V no local onde São Geminiano, o santo padroeiro de Modena, tinha sido enterrado. Por volta de meados do século XI, contudo, novas obras começaram a substituir a igreja existente por uma maior e mais bela, mas no final do mesmo século, o povo decidiu construir mais uma, uma vez que o segundo edifício não era muito estável. As obras da terceira construção começaram em Maio de 1099 e foram realizadas pelo arquitecto Lanfranco com a ajuda dos mestres Comacini, pedreiros qualificados e pedreiros de pedra, e do escultor Wiligelmo, que provavelmente também trabalhou na fachada. Para esta obra arquitectónica foram utilizados diversos materiais de antigos edifícios romanos.Em 1106, o corpo de São Gémio foi transferido para a nova cripta da basílica, com o edifício sagrado apenas coberto e ainda não concluído. Mais tarde, mestres de Campione também emprestaram o seu trabalho à sua realização, um dos quais foi Anselmo da Campione, que construiu a torre sineira e completou a catedral.Todo o edifício é atravessado por uma série de loggias, que se encontram no auge das galerias femininas, e fazem parte de arcadas cegas. A fachada é inclinada e está dividida por duas pilastras em três sectores, correspondentes às naves. Existem três portais, todos sem lunetas; os dois portais laterais são mais pequenos enquanto o central é maior.No centro encontra-se uma rosácea, feita pelos mestres campioneses no século XIII e acima dela os quatro evangelistas, cada um representado com o seu próprio símbolo, com o Redentor no centro. As portas laterais são também dignas de menção: a Porta Regia, feita de mármore rosa, enquanto toda a catedral é branca, a Porta dei Principi e a Porta della Pescheria. A fachada é sobreposta por um anjo de mármore agarrando uma flor ao seu peito e, desde 1938, os pináculos foram também restaurados. Ao lado da catedral encontra-se a Ghirlandina, a torre sineira com pouco mais de 86 metros de altura, símbolo da cidade de Modena, cujo nome deriva das duas "guirlandas", gradeamentos de mármore, que a caracterizam.A igreja tem três naves, cada uma terminando numa abside, e nenhum transepto. O presbitério e o coro são levantados por cima da cripta.
