De eerste kerk werd in de 5e eeuw gebouwd op de plaats waar de heilige Geminianus, de beschermheilige van Modena, was begraven. Rond het midden van de 11e eeuw begon men echter met nieuwe werkzaamheden om de bestaande kerk te vervangen door een grotere en mooiere, maar aan het eind van diezelfde eeuw besloot men om nog een kerk te bouwen, omdat het tweede gebouw niet erg stabiel was. Het werk aan de derde constructie begon in mei 1099 en werd uitgevoerd door de architect Lanfranco met de hulp van de Comacini-meesters, bekwame metselaars en steenhouwers, en de beeldhouwer Wiligelmo, die waarschijnlijk ook aan de gevel werkte. Voor dit architectonische werk werden verschillende materialen uit oude Romeinse gebouwen gebruikt.In 1106 werd het lichaam van de heilige Geminianus overgebracht naar de nieuwe crypte van de basiliek, waarbij het heilige gebouw slechts overdekt was en nog niet voltooid. Later leenden ook meesters uit Campione hun werk aan de realisatie ervan, waaronder Anselmo da Campione, die de klokkentoren bouwde en de kathedraal voltooide.Het hele gebouw wordt doorkruist door een reeks loggia's, die zich ter hoogte van de vrouwengalerijen bevinden en deel uitmaken van blinde arcades. De voorgevel is schuin en wordt door twee pilasters verdeeld in drie sectoren, die overeenkomen met de beuken. Er zijn drie portalen, alle zonder lunetten; de twee zijportalen zijn kleiner, terwijl het centrale portaal groter is.In het midden staat een roosvenster, gemaakt door de Campionese meesters in de 13e eeuw, met daarboven de vier evangelisten, elk met een eigen symbool, met in het midden de Verlosser. Ook de zijdeuren zijn het vermelden waard: de Porta Regia, gemaakt van roze marmer, terwijl de hele kathedraal wit is, de Porta dei Principi en de Porta della Pescheria. De gevel wordt bekroond door een marmeren engel die een bloem op zijn borst houdt en sinds 1938 zijn ook de torenspitsen gerestaureerd. Naast de kathedraal staat de Ghirlandina, de ruim 86 meter hoge klokkentoren, symbool van de stad Modena, waarvan de naam is afgeleid van de twee "slingers", marmeren balustrades, die hem kenmerken.De kerk heeft drie schepen, elk eindigend in een apsis, en geen dwarsschip. Het presbyterium en het koor liggen boven de crypte.
