Pierwszy kościół został wzniesiony w V wieku na miejscu, gdzie pochowany był św. Geminianus, patron Modeny. Około połowy XI wieku rozpoczęto jednak nowe prace mające na celu zastąpienie istniejącego kościoła większym i piękniejszym, jednak pod koniec tego samego stulecia mieszkańcy zdecydowali się na budowę kolejnego, gdyż druga budowla nie była zbyt stabilna. Prace nad trzecią konstrukcją rozpoczęły się w maju 1099 roku i były prowadzone przez architekta Lanfranco z pomocą mistrzów Comacini, wykwalifikowanych murarzy i kamieniarzy oraz rzeźbiarza Wiligelmo, który prawdopodobnie pracował również nad fasadą. Do tego dzieła architektonicznego użyto różnych materiałów pochodzących ze starych rzymskich budowli.W 1106 r. ciało św. Geminianusa zostało przeniesione do nowej krypty bazyliki, przy czym budynek sakralny był tylko zadaszony i jeszcze nie ukończony. W późniejszym czasie do jej realizacji użyczyli swojej pracy również mistrzowie z Campione, jednym z nich był Anselmo da Campione, który zbudował dzwonnicę i ukończył katedrę.Cały budynek jest poprzecinany serią loggii, które znajdują się na wysokości galerii kobiecych i stanowią część ślepych arkad. Fasada jest nachylona i podzielona dwoma pilastrami na trzy sektory, odpowiadające nawom. Portale są trzy, wszystkie bez lunet; dwa boczne są mniejsze, a środkowy większy.W centrum znajduje się okno różane, wykonane przez mistrzów kampinoskich w XIII wieku, a nad nim czterej ewangeliści, każdy przedstawiony z własnym symbolem, z Odkupicielem w centrum. Na uwagę zasługują również drzwi boczne: Porta Regia, wykonana z różowego marmuru, podczas gdy cała katedra jest biała, Porta dei Principi i Porta della Pescheria. Fasada zwieńczona jest marmurowym aniołem trzymającym kwiat na piersi, a od 1938 roku odrestaurowano także iglice. Obok katedry znajduje się Ghirlandina, dzwonnica o wysokości nieco ponad 86 metrów, symbol miasta Modena, której nazwa pochodzi od dwóch "girland", marmurowych poręczy, które ją charakteryzują.Kościół ma trzy nawy, każda zakończona apsydą, bez transeptu. Prezbiterium i chór wznoszą się nad kryptą.