La basilica, simbolo della città medievale, è stata costruita per volontà dell’autorità civile (Senato di Bologna) e dedicata a San Petronio, vescovo bolognese vissuto nel V secolo. Il progetto iniziale venne affidato ad Antonio di Vincenzo, che pose la prima pietra il 7 giugno 1390.
Nel 1425 viene iniziato il portale mediano (o “Porta Magna”), capolavoro di Jacopo della Quercia, rimasto incompleto per la morte dell’artista.
Dopo un'interruzione dei lavori, la fabbrica fu portata avanti da Arduino degli Arriguzzi (1515), che ampliò notevolmente il progetto, ma che non riuscì a portare a termine la facciata.
A partire dalla seconda metà del XV secolo vennero presentati numerosi progetti per il suo completamento, tra cui quelli di Michelangelo, di Baldassarre Peruzzi, di Giulio Romano, del Vignola, di Andrea Palladio, di Francesco Terribilia e Domenico Tibaldi, ma nessuno di questi fu mai realizzato.
La basilica ha un impianto a tre navate divise da dieci piloni polistili di cotto e ampi archi ogivali che gli conferiscono un aspetto spiccatamente goticheggiante. Undici cappelle si aprono su ciascuna delle navi minori.