La primera església es va construir al segle V al lloc on va ser enterrat Sant Geminiano, el patró de Mòdena. No obstant això, cap a mitjans del segle XI, es van començar a fer noves obres per substituir l'església existent per una de més gran i bonica, però ja a finals del mateix segle, el poble va decidir construir-ne una altra, ja que el segon edifici va ser no gaire estable. Les obres de la tercera construcció van començar el maig de 1099 i van ser realitzades per l'arquitecte Lanfranco amb l'ajuda dels mestres Comacini, hàbils paletes i picapedrers, i per l'escultor Wiligelmo, que probablement també es va ocupar de la façana. Per a aquesta obra arquitectònica es van utilitzar tota una sèrie de materials d'antics edificis romans.L'any 1106 el cos de Sant Geminiano va ser traslladat a la nova cripta de la basílica, amb l'edifici sagrat només cobert i encara no acabat. Posteriorment, els mestres campioneses també van cedir la seva feina per a la realització d'aquesta obra, un de tots va ser Anselmo da Campione, que va construir el campanar i va completar la catedral.Tot l'edifici està travessat per una sèrie de lògies, que es troben a l'alçada de les galeries de dones, i formen part d'arcs cecs. La façana és inclinada i està dividida per dues pilastres en tres sectors, corresponents a les naus. Hi ha tres portals, tots sense llunetes, els dos laterals són més petits mentre que el central és més gran.El centre és una rosassa, feta pels mestres Campionesi al segle XIII i a sobre els quatre evangelistes, cadascun representat amb el seu propi símbol, amb el Redemptor al centre. També cal destacar les portes laterals: la Porta regia, de marbre rosa, mentre que tota la catedral és blanca, la Porta dei Principi i la Porta della Pescheria. La façana està rematada per un àngel de marbre que sosté una flor al pit i des de 1938 també s'han restaurat les cúspides. Al costat de la catedral hi ha la Ghirlandina, el campanar de poc més de 86 metres d'alçada, símbol de la ciutat de Mòdena, el nom de la qual deriva de les dues "ghirlande", baranes de marbre, que la caracteritzen.L'església té tres naus, cadascuna acabada amb un absis, i sense creuer. El presbiteri i el cor s'eleven sobre la cripta.