Den første kirke blev opført i det 5. århundrede på det sted, hvor den hellige Geminianus, Modenas skytshelgen, var blevet begravet. Omkring midten af det 11. århundrede begyndte man imidlertid at erstatte den eksisterende kirke med en større og smukkere kirke, men i slutningen af samme århundrede besluttede man at bygge endnu en, da den anden bygning ikke var særlig stabil. Arbejdet med det tredje byggeri begyndte i maj 1099 og blev udført af arkitekten Lanfranco med hjælp fra Comacini-mestrene, dygtige murere og stenhuggere, og billedhuggeren Wiligelmo, som sandsynligvis også arbejdede på facaden. Til dette arkitektoniske arbejde blev der anvendt en række forskellige materialer fra gamle romerske bygninger.I 1106 blev Geminianus' lig flyttet ind i basilikaens nye krypt, mens den hellige bygning kun var dækket og endnu ikke færdiggjort. Senere har også mestere fra Campione udlånt deres arbejdskraft til dens realisering, en af dem var Anselmo da Campione, som byggede klokketårnet og færdiggjorde katedralen.Hele bygningen gennemskæres af en række loggiaer, der ligger i højde med kvindegallerierne og udgør en del af blinde arkader. Facaden er skrånende og er delt af to pilastre i tre sektorer, der svarer til skibene. Der er tre portaler, alle uden lunetter; de to sideportaler er mindre, mens den centrale er større.n midten står et rosenvindue, udført af Campionesiske mestre i det 13. århundrede, og over det ses de fire evangelister, hver afbildet med sit eget symbol, med Forløseren i midten. Sidedørene er også værd at nævne: Porta Regia, der er lavet af lyserødt marmor, mens hele katedralen er hvid, Porta dei Principi og Porta della Pescheria. På facaden ses en engel i marmor, der holder en blomst på sit bryst, og siden 1938 er tårnene også blevet restaureret. Ved siden af katedralen ligger Ghirlandina, klokketårnet, der er lidt over 86 meter højt og symbol på byen Modena, og hvis navn stammer fra de to "guirlander", marmorgelænder, der kendetegner det.Kirken har tre skibe, der hver især ender i en apsis, og intet tværskib. Presbyteriet og koret er hævet over krypten.
