La structure de la basilique, que nous pouvons admirer aujourd'hui, reflète l'architecture fondamentale conçue par le génie de Giulio Romano et représente un condensé des moments marquants de l'histoire et des civilisations de Polironi. Entre 1540 et 1545, il reconstruit les anciennes structures romanes et gothiques sans les démolir, en adoptant des solutions originales pour réunir différents styles architecturaux afin de créer un intérieur raffiné et homogène.
Le déambulatoire et les colonnes murées mais encore visibles du presbytère sont romans, tandis que le tiburium et les voûtes sont gothiques.
Antonio Begarelli, un artiste de Modène que Vasari appelait "le Michel-Ange de la terre cuite", a réalisé 32 statues de saints en 1542 et 1559, décorant les nefs et les entrées des chapelles latérales.
La merveilleuse sacristie est meublée d'armoires sculptées, réalisées entre 1561 et 1563, par Giovanni Maria Piantavigna.
Dans la pièce située entre le transept et la sacristie se trouve le tombeau de Mathilde de Canossa, un sarcophage en albâtre soutenu par quatre lions en marbre rouge. Le corps de Mathilde n'est plus dans sa tombe depuis 1633, date à laquelle il a été transféré dans la basilique Saint-Pierre de Rome.
À l'intérieur de la basilique se trouve également l'oratoire de Sainte-Marie, datant de la fin du XIe siècle au milieu du XIIe siècle, et donc d'une période antérieure à la mort de la comtesse Mathilde. Il a été adapté à l'église principale lors de sa reconstruction (1130), selon le modèle de l'oratoire de Sainte-Marie de Cluny. On pense que la comtesse Mathilde était à l'origine enterrée ici, dans une urne placée devant l'autel, à côté de la grande mosaïque représentant les quatre vertus cardinales. Les touristes peuvent admirer la beauté des trois cloîtres, le cloître séculier, le cloître San Simeon et le cloître San Benedetto : Le cloître des séculiers, dont on peut voir au moins trois phases constitutives (une antérieure au XVe siècle, une datant de 1475 et une de 1674), était destiné à accueillir les pèlerins et les pauvres au rez-de-chaussée (côtés est et sud), tandis que l'étage supérieur était dédié aux hôtes importants. Du cloître des séculiers, en traversant l'escalier scénographique Barberiniano, on entre dans le musée civique Polironiano. L'étage supérieur du cloître de San Simeone était autrefois occupé par l'ancienne infirmerie à l'est, la bibliothèque et la résidence de l'abbé au sud, et les cellules du dortoir des moines à l'ouest et au nord. Au rez-de-chaussée se trouvaient les cellules pour les moines de passage, la cave, la boutique du tailleur et celle du cordonnier. Le cloître de style gothique tardif a pris son aspect actuel entre 1458 et 1480. Les fresques des lunettes représentant les histoires de San Simeon, peintes par des artistes probablement de l'école flamande, datent également de cette période. De ce splendide cloître, on accède directement à la salle capitulaire, l'un des lieux les plus anciens et les plus importants du monastère puisqu'il s'agit du centre de gestion de la coenobie ; à l'intérieur, on peut admirer les vestiges des tombes des abbés du XVIe siècle. En quittant la salle, on peut admirer le plus grand cloître, dédié à Saint Benoît. Reconstruit vers 1450 dans le cadre de la rénovation architecturale de Polirone soutenue par le commendataire Guido Gonzaga, son côté sud a été modifié suite à la rénovation de l'église abbatiale par Giulio Romano.
