La costruzione della basilica venne iniziata nel 7 Giugno nel 1390, sotto la direzione di Antonio di Vincenzo, architetto bolognese. La prima pietra fu posta tra canti di esultanza e l'allegro suono di tutte le campane di Bologna. Dopo aver demolito 5 piccole chiese, alcune torri e numerose case, i lavori proseguirono lentamente per più di 100 anni, senza essere condotti a compimento. Anche la maestosa facciata è rimasta incompiuta. Infatti la parte superiore è in mattoni anneriti dal tempo, con aperti ancora i molti fori delle impalcature. Il basamento è ricoperto di marmo. Nelle nicchie vi sono i busti di 8 Santi. I 3 portali sono finemente ornati di sculture.

Bellissima la porta maggiore, opera dello scultore toscano Jacopo della Quercia, che vi lavorò dal 1426 fino alla morte, avvenuta nel 1438. Nella nicchia in alto, fra San Petronio e Sant'Ambrogio, vi è una dolce figura di Madonna, eseguita dallo stesso artista.Chi visita l'interno della Basilica di S.Petronio prova un senso di grandezza che nessuna delle altre chiese di Bologna sa dare. Sotto le sue snelle e ardite volte, basta alzare lo sguardo per notare quanto la Basilica sia maestosa e ampia. Sembra una chiesa povera e disadorna, col le sue linee semplici e la severità dei muri senza decorazioni ma guardando le 22 cappelle laterali, così ornate di altari marmorei, di stupendi quadri e affreschi, di magnifiche vetrate dipinte, ci si accorge della sua straordinaria ricchezza.
La seconda cappella a sinistra supera ogni altra per l'elegantissima cancellata in ferro e ottone, lo splendore delle dorature e la bellezza dei marmi.

Sopra l'altare si venera il capo di S. Petronio, racchiuso in un prezioso reliquiario d'argento.
Sul pavimento della chiesa è tracciata la famosa meridiana, costruita nel 1655. Da un foro della volta penetra un raggio di sole che batte sulla linea marmoreadella meridiana, la quale porta scolpiti i segni dei giorni, dei mesi e delle stagioni.. Sotto la gigantesca pittura di San Cristoforo, col piccolo Gesù c'è una coppia di antichi orologi. Nella chiesa furono celebrate solenni cerimonie, ma l'avvenimento di maggior splendore ebbe luogo il 24 Febbraio del 1530, quando papa Clemente VII incoronò imperatore Carlo V.
Dal 1798 sono state collocate all'interno della Basilica le quattro croci di pietra sistemate, ai confini della città, dal Vescovo Petronio a metà del V secolo d.C.