Den första kyrkan uppfördes på 500-talet på den plats där den helige Geminianus, Modenas skyddshelgon, hade begravts. Vid mitten av 1000-talet började man dock att ersätta den befintliga kyrkan med en större och vackrare kyrka, men i slutet av samma århundrade beslöt folket att bygga ännu en kyrka, eftersom den andra byggnaden inte var särskilt stabil. Arbetet med det tredje bygget inleddes i maj 1099 och utfördes av arkitekten Lanfranco med hjälp av Comacini-mästarna, skickliga murare och stenhuggare, och skulptören Wiligelmo, som troligen också arbetade med fasaden. En mängd olika material från gamla romerska byggnader användes för detta arkitektoniska arbete.År 1106 flyttades den helige Geminianus kropp till basilikans nya krypto, medan den heliga byggnaden endast var täckt och ännu inte färdigställd. Senare lånade även mästare från Campione ut sin arbetskraft till dess förverkligande, en av dem var Anselmo da Campione, som byggde klocktornet och färdigställde katedralen.Hela byggnaden genomkorsas av en rad loggior, som ligger i höjd med kvinnogångarna och utgör en del av blindarkaderna. Fasaden är sluttande och delas av två pilastrar i tre sektorer som motsvarar skeppen. Det finns tre portaler, alla utan lunetter; de två sidoportalerna är mindre medan den centrala är större.I mitten står ett rosenfönster, gjort av Campionesiska mästare på 1200-talet och ovanför det står de fyra evangelisterna, var och en avbildad med sin egen symbol, med Frälsaren i mitten. Sidodörrarna är också värda att nämna: Porta Regia, gjord av rosa marmor, medan hela katedralen är vit, Porta dei Principi och Porta della Pescheria. Fasaden överstås av en ängel i marmor som håller en blomma mot sitt bröst och sedan 1938 har även spirorna restaurerats. Bredvid katedralen ligger Ghirlandina, klocktornet som är drygt 86 meter högt och symbol för staden Modena, vars namn härrör från de två "kransar", marmorräcken, som kännetecknar det.Kyrkan har tre skepp, som alla slutar i en absida, och inget tvärskepp. Presbyteriet och koret är upphöjda över kryptan.