La première église a été érigée au Ve siècle sur le site où saint Geminianus, le saint patron de Modène, avait été enterré. Vers le milieu du XIe siècle, cependant, de nouveaux travaux ont été entrepris pour remplacer l'église existante par une autre plus grande et plus belle, mais à la fin du même siècle, les habitants ont décidé d'en construire une autre, car le deuxième bâtiment n'était pas très stable. Les travaux de la troisième construction ont commencé en mai 1099 et ont été réalisés par l'architecte Lanfranco avec l'aide des maîtres Comacini, maçons et tailleurs de pierre qualifiés, et du sculpteur Wiligelmo, qui a probablement aussi travaillé sur la façade. Divers matériaux provenant d'anciens bâtiments romains ont été utilisés pour cette œuvre architecturale. En 1106, le corps de saint Géminien est déplacé dans la nouvelle crypte de la basilique, le bâtiment sacré n'étant que couvert et pas encore achevé. Plus tard, des maîtres de Campione ont également prêté leur travail à la construction de l'œuvre, l'un d'entre eux étant Anselmo da Campione, qui a construit le clocher et achevé la cathédrale. L'ensemble du bâtiment est traversé par une série de loggias, situées à la hauteur des galeries des femmes, qui font partie d'arcades aveugles. La façade est en pente et est divisée par deux pilastres en trois secteurs, correspondant aux nefs. Il y a trois portails, tous sans lunettes ; les deux portails latéraux sont plus petits tandis que le central est plus grand. Au centre se trouve une rosace, réalisée par les maîtres campionnais au XIIIe siècle, et au-dessus d'elle, les quatre évangélistes, chacun représenté avec son propre symbole, avec le Rédempteur au centre. Les portes latérales méritent également d'être mentionnées : la Porta regia, réalisée en marbre rose, alors que toute la cathédrale est blanche, la Porta dei Principi et la Porta della Pescheria. La façade est surmontée d'un ange en marbre serrant une fleur sur sa poitrine et depuis 1938, les flèches ont également été restaurées. À côté de la cathédrale se trouve la Ghirlandina, le clocher d'un peu plus de 86 mètres de haut, symbole de la ville de Modène, dont le nom provient des deux "guirlandes", des rampes en marbre, qui le caractérisent. L'église a trois nefs, chacune se terminant par une abside, et pas de transept. Le presbytère et le chœur sont élevés au-dessus de la crypte.