La Basilica di San Petronio, dedicata al patrono cittadino (ottavo vescovo di Bologna dal 431 al 450), è la più grande e importante chiesa bolognese (m 132 di lunghezza, 66 di larghezza totale, 47 di altezza).
Fino ad anni recenti la chiesa è stata amministrata come un'istituzione cittadina, essendo sempre stata considerata un simbolo del potere locale in contrapposizione al potere del Vaticano, rappresentato dalla cattedrale San Pietro.
La costruzione fu iniziata nel 1390 sotto la direzione di Antonio di Vincenzo. Il modello originale fu commissionato all'architetto per celebrare il potere riconquistato dal Comune. Nel 1514 Arduino degli Arriguzzi propone un nuovo modello a croce latina che avrebbe superato in grandezza la chiesa di San Pietro a Roma. Secondo la leggenda Pio IV bloccò la realizzazione di questo sogno megalomane, sollecitando i lavori per la costruzione dell'Archiginnasio.
Anche la facciata rimase incompiuta. La copertura della navata maggiore e la chiusura dell'abside furono ultimate solo nel 1663 su progetto di Girolamo Rainaldi e direzione di Francesco Martini. Lle navate minori vennero chiuse da muri rettilinei.

Celebre fu la Cappella musicale petroniana il cui il simbolo più prestigioso è un organo tuttora funzionante, costruito attorno al 1470 da Lorenzo da Prato: il più vecchio al mondo ancora in uso. Un altro organo più recente (1596) è di Baldassarre Malamini e anche questo è funzionante nonostante i quattrocento anni di vita.
Nel 1894 fu aperto il Museo di San Petronio su progetto di T. Azzolini. Infine, tra le cappelle 1 - 2, 9 - 10, 13 - 14 , 21 - 22, si trovano le quattro croci di pietra che, secondo la leggenda, furono poste da San Petronio agli angoli del perimetro della città, definito nei secoli successivi il cerchio delle mura di selenite.

Facciata
Giacomo Ranuzzi iniziò il rivestimento marmoreo, che non venne mai completato, nel 1538 su disegno di Domenico da Varignana. La parte terminata è decorata con opere degli scultori Jacopo della Quercia, Amico Aspertini e Alfonso Lombardi.

La facciata della Basilica è attualmente in fase di restauro e pulitura. Per tale ragione è coperta da un telone che, in una immensa fotografia, ne riproduce la parte anteriore. I lavori restituiranno alle pietre il colore rosso vicino a quello originale. Secondo le previsioni San Petronio sarà "spogliata" per il 2013, data particolarmente significativa e simbolica perché ricorreranno i 350 anni della fine dei lavori di costruzione della Basilica.

Porta Magna
Il portale centrale, iniziato nel 1425, è un capolavoro di Jacopo della Quercia. Sui pilastri sono rappresentate scene dell'Antico Testamento, sull'archivolto 18 profeti, sull'architrave storie del Nuovo Testamento e sul timpano la "Madonna con Bambino" e "Sant'Ambrogio e San Petronio". Il centro dell'arco del timpano è opera di Amico Aspertini.

Porte laterali
Degne di nota sono la "Resurrezione" di Alfonso Lombardi sulla porta di sinistra e la "Deposizione" di Amico Aspertini sulla porta di destra.

Fianchi e Campanile
I fianchi sono di mattoni rossi a cappelle cuspidate. Gli ornamenti delle prime due finestre (1393), da entrambi i lati, si devono ad Antonio di Vincenzo per quanto riguarda il disegno; alle altre collaborarono Francesco di Simone, Domenico da Milano, Pagno di Lapo Portigiani, Antonio di Simone. Il campanile fu architettato da Giovanni da Brensa (1481-87).

Interno
L’interno del tempio, benché costruito in diverse epoche, ha un mirabile senso classico, lontano quindi dal gotico oltremontano. E' diviso in tre navate sorrette da dieci piloni a nervatura poligona, sui quali si slanciano gli archi e le volte: le campate della navata maggiore sono a pianta quadrata.
Nelle navate inferiori si aprono ventidue cappelle:

Cappella di S. Abbondio (I) già dei Dieci di Balia
Fu restaurata in falso gotico nel 1865 da Albino Riccardi. Di antico resta la decorazione ornamentale con gli stemmi dei patroni (1397) e due grandi affreschi ritoccati da Giovanni da Modena (1420 ca.): a destra "Trionfo della chiesa cattolica sull'eresia" e a sinistra "Redenzione del peccato originale". In questa cappella, nel 1530, fu incoronato imperatore Carlo V dal Papa Clemente VII

Cappella di S. Petronio (II) già Cospi e Aldrovandi
Fu progettata da Alfonso Torreggiani e destinata a contenere la reliquia del capo di San Petronio. La volta venne decorata da Stefano Orlandi e Vittorio Bigari.

Cappella di S. Ivo (III) già di S: Brigida dei Foscherari
In questa cappella si trovano statue di Angelo Piò, una pala con "Madonna di S: Luca e Santi Emidio e Ivo" di Gaetano Gandolfi ed alle pareti quadrature illusionistiche di Prospero Pesci, "S. Carlo Borromeo" di Francesco Bizzi e "l'apparizione della Vergine a S. Francesca Romana" di Alessandro Tiarini (1615).
Due orologi, tra i primi in Italia fatti con la correzione del pendolo, dovuti a Domenico Maria e Cristino Fornasini (1758), coprono in parte il pilastro che segue.

Cappella dei Re Magi (IV) già Bolognini e Salina Amorini
E’ l'unica che conserva, quasi intatta, la decorazione originaria. La cancellata gotica in marmo fu disegnata da Antonio di Vincenzo (1400). Furono dipinti da Jacopo di Paolo il "Polittico ligneo" e le finestre policrome. Le pareti furono sontuosamente affrescate da Giovanni da Modena con un ciclo raffigurante: "Il Paradiso" e "l'Inferno" a sinistra, nella parete di destra "Le storie dei Re Magi", nella parete di fondo "Consacrazione di San Petronio" e scene della sua vita.
Cappella di S. Sebastiano (V) già Vaselli
In questa cappella si possono ammirare la grande tela a tempera "Martirio di S. Sebastiano", "l'Annunziata" e i dodici "Apostoli" dipinti su tela di Lorenzo Costa; "l'Angelo Annunziante" è attribuito invece a Francesco Francia.

Cappella di S. Vincenzo Ferrer (VI) già Griffoni, Cospi e Ranuzzi
Si possono ammirare la grande tela con il santo di Vittorio Bigari (sulla destra) e il monumento bronzeo del cardinale Giacomo Lercaro eseguito da Giacomo Manzù (1954).

Cappella di S. Giacomo (VII) già Rossi e Baciocchi
Sull'altare la splendida "Madonna in Trono", capolavoro di Lorenzo Costa (1492); allo stesso autore sono attribuiti i disegni della vetrata policroma. Il monumento funebre di destra conserva le spoglie del principe Felice e di sua moglie Elisa Bonaparte e fu disegnato da Antonio Serra (1845).

Cappella di S. Rocco (VIII) già Ranuzzi
Sull'altare si trova il "San Rocco" del Parmigianino (1527). La grande statua marmorea di "San Petronio" è di Gabriele Brunelli (1683). Le vetrate furono disegnate da Achille Casanova (1926).

Cappella di S. Michele (IX) già Barbazzi e Manzoli
Sull'altare si trova "l'Arcangelo Michele che scaccia il demonio" di Donato Creti (1582). Il busto, a sinistra, in terracotta che raffigura Andrea Barbazza è di Vincenzo Onofri (1479).

Cappella di S. Rosalia (X) già dei Sedici del Senato, ora del Municipio
Pala d'Altare con "Gloria di S. Barbara e punizione del padre omicida" di Alessandro Tiarini. Gli affreschi alle pareti e nella volta, che presentano elementi neogotici, sono di Gioacchini Pizzoli (1723).

Cappella di S. Bernardino (XI)
Nel 1984 sono stati collocati in questa cappella due fianchi della cassa dell'organo quattrocentesco di Lorenzo da Prato, ritrovati durante il restauro, e dipinti nel 1531 da Amico Aspertini con "Quattro storie di S. Petronio".

Cappella Maggiore
Le quattro colonne di marmo veronese appartengono al grande ciborio progettato dal Vignola. Il grande "Crocefisso" in legno con teste di cherubini, posto sull'altare, è opera di ignoto del sec. XV. Sul fondo dell'abside si trova un imponente affresco di "Madonna con S: Petronio" di Marcantonio Franceschini e Luigi Quaini su cartoni del Cignani (1672).

Cappella delle Reliquie XII già Zambeccari
Il campanile è impostato su di essa. La tela sopra l'altare nasconde diversi reliquiari.

Cappella di S. Pietro Martire (XIII) già della Società dei Beccari
La transenna marmorea con teste di cherubini (fine sec. XV) è di Francesco di Simone; la pala d'altare del Passerotti.

Cappella di S. Antonio da Padova (XIV) già dei Saraceni e dei Cospi
Sono di Domenico Mirandola i busti araldici in bronzo bendati. La statua del santo è attribuita a Jacopo Sansovino oppure a Girolamo da Treviso che nel 1526 dipinto ad olio otto "miracoli del santo".

Cappella del Santissimo (XV), Malvezzi Campeggi
L'aspetto attuale è del 1814 (Angelo Venturoli). Sull'altare, in una nicchia disegnata dal Vignola, si trova "il trono del Santissimo" di Alessandro Algardi il quale fornì anche i marmi presi dalle rovine di Roma antica.


Cappella dell'Immacolata (XVI) già Fantuzzi
Fu decorata interamente da Achille Casanova e da Renato Pasqui.

Cappella di S. Girolamo (XVII) già Castelli
Il Santo sull'altare è attribuito a Lorenzo Costa.

Cappella di S. Lorenzo (XVIII) già Garganelli, Ratta e Pallotti
Vi si trova la "Pietà" di Amico Aspertini.

Cappella della Croce (XIX) già dei Notai
Contiene affreschi di Francesco Lola, Giovanni da Modena e Pietro Lianori. La splendida vetrata venne realizzata dal beato frate Giacomo da Ulma su disegno di Michele di Matteo.

Cappella di S. Ambrogio (XX) già Marsili
Sull'altare si trova un polittico a fresco, ritrovato durante i restauri, raffigurante S. Ambrogio, due santi guerrieri, Pietà e Annunciazione; lo stile è quello del Vivarini (metà '400).

Cappella di S. Brigida (XXI) già Pepoli
Sull'altare spicca un polittico di Tommaso Garelli (1477). Il busto policromo della santa è di Giovanni Romagnoli.

Cappella della Madonna della Pace (XXII)
La "Madonna" in pietra d'Istria è di Giovanni Ferabech (1394).

Controfacciata
Partendo da sinistra troviamo: un ornato della porta minore eseguito da Francesco da Milano su disegno di Alfonso Lombardi; sulla porta aurea, "Incontro di Gioacchino" in rilievo del Lombardi; monumento sepolcrale in cotto eseguito da Zaccaria Zacchi (1526); ornato dell'altra porta minore di Alfonso Lombardi.

La Meridiana di San Petronio
Fu ideata e costruita da Gian Domenico Cassini, docente nello studio di Bologna, intorno al 1656 dopo che, nei lavori di allungamento della chiesa, era andata distrutta quella di Egnazio Danti. Per i calcoli il Cassini utilizzò una strumentazione che è ora visibile nel Museo. La meridiana di San Petronio è la più lunga del mondo (lunga m 67,72, foro di luce a m 27 dal suolo, distanza fra i solstizi m 56); la sua lunghezza corrisponde alla seicentomillesima parte del meridiano terrestre. Venne ristrutturata ne 1775 dall'astronomo Eustachio Manfredi, il quale sostituì la linea di ferro con una di ottone.