Dedicata a San Petronio, patrono della città, la sua fondazione risale al 7 giugno 1390 con la posa della prima pietra. Si tratta dell'ultima grande opera tardo-gotica d'Italia, iniziata poco dopo il Duomo di Milano (1386). Del progetto originario di Antonio di Vincenzo non si sa nulla. Nel 1507 fu incaricato del progetto l'architetto Arduino Arriguzzi. Nel 1508 viene posta sulla facciata la grande statua in bronzo di Papa Giulio II realizzata da Michelangelo. Poi il progetto si interrompe, per riprendere solo nella prima metà del Seicento, quando venne incaricato della prosecuzione l'architetto romano Girolamo Rainaldi. La facciata incompiuta di San Petronio è divisa in due fasce orizzontali: quella inferiore, con le specchiature marmoree eseguite tra la fine del Trecento e gli inizi del Cinquecento, e quella superiore, con materiale laterizio a vista che avrebbe dovuto consentire l'ancoraggio del rivestimento decorativo. La parte inferiore decorata è composta da un basamento tardo-gotico e da un rivestimento superiore in pietra bianca d'Istria e marmo rosso di Verona, su disegno di Domenico Aimo da Varignana, in stile tosco-fiorentino. Vi si aprono tre portali, dei quali il centrale è opera dello scultore Jacopo della Quercia. Le fiancate della Basilica sono decorate dall'alternanza di contrafforti e finestroni in marmo traforato con le vetrate delle cappelle. A destra si innalza il campanile di Giovanni da Brensa (1481-1495), alto 65 metri, al cui interno risuona un concerto di quattro campane risalente al XV secolo. L'interno si sviluppa su sei grandiose campate a pianta quadrata, alle quali corrispondono altrettante campate laterali su cui si aprono le cappelle. Tra le particolarità dell'edificio, il suo anomalo orientamento nord-sud. Oltre alle opere d'arte che arricchiscono le cappelle, prima tra tutte la Cappella Bolognini, è custodita anche la preziosa Meridiana di Cassini, terminata nel 1657. Ai due lati dell'altare maggiore si trovano inoltre due organi a canne tra i più antichi in Italia.