Фасад базилики святого Петрония выходит на главную площадь Болоньи Пьяцца Маджоре. Базилика входит в число шести самых больших церквей Европы. Её длина составляет 132 м, ширина – 66 м, высота свода – 45 м, а высота фасада – 51 м.
Инициатором строительства нового большого храма для растущего города в 1390 году выступил Совет шестисот, т.е. городские власти. Проект базилики, посвящённой святому покровителю города Болоньи, Петронию, был поручен Антонио ди Винченцо. Базилика считается самым поздним примером готики в Италии. По замыслу архитектора, церковь должна была стать самым большим христианским храмом, превзойдя даже собор святого Петра в Ватикане. Работы начались в том же 1390 году, но растянулись на века. Более того, базилика и по сей день осталась незавершённой, а грандиозный план архитектора не был осуществлён. Строительство началось с фасада и боковых нефов. Первые капеллы были построены уже в 1393 году, но последние удалось возвести лишь в 1479 году.
В 1646-1658 годах благодаря специально приглашённому из Рима Джироламо Райнальди была решена задача возведения свода над главным нефом. Начались работы, которые были прерваны в 1659 году и так и не были доведены до конца.
Нижняя часть фасада выполнена из красного веронского мрамора и белого истрийского камня. Верхняя часть фасада не была облицована. Главный портал, над которым работал великий скульптор Якопо делла Кверча (1426 – 1438), остался незавершённым из-за смерти скульптора. Портал украшен 15 сюжетами из Нового и Ветхого заветов, а также скульптурной группой, представляющей Богоматерь с младенцем, святого Петрония и святого Амвросия. Богоматерь портала делла Кверча Микеланджело назвал «самой прекрасной Богоматерью 15 века». Считается, что именно рельефы делла Кверча в Болонье положили начало эпохе Возрождения в искусстве скульптуры.
Боковые порталы сделаны в 1524 - 1530 годах по проекту Эрколе Саккаденари. В оформлении боковых порталов принимало участие много художников, среди которых Триболо и Альфонсо Ломбарди. В боковых фасадах открываются окна, освещающие капеллы. Справа (над 11-ой капеллой) поднимается колокольная башня (1481 - 1495). По болонской традиции, на башне 4 колокола.
В плане трёхнефной базилики лежит латинский крест. Готические своды опираются на десять пилястров с высокими капителями. По горизонтали пространство разделено боковыми капеллами. Форма арок подчёркивается красным цветом на фоне белой штукатурки.
По полу базилики проходит меридиан, рассчитанный астрономом Джованни Доменико Кассини в 1655 году. Длина линии меридиана составляет 67,72 м, это - самый длинный меридиан в мире. Меридиан по сути представляет собой солнечный календарь – когда через небольшое отверстие в крыше базилики солнечный свет падает на меридиан, луч указывает на месяц и день.
В базилике сохранились деревянные хоры (15 век, Агостино де Марки) и два старинных действующих органа: справа – орган Лоренцо из Прато (1471-75, старейший в мире из сохранившихся органов), слева – орган Маламини (1596). Внутреннее убранство базилики также выдержано в готическом стиле. Большая часть капелл (их 22) были декорированы в 15-16 веках. Следует обратить внимание на работы Джованни да Модена (начало 15 века, «Страшный суд», «Эпизоды из жития святого Петрония», «Путь волхвов», четвёртая капелла). Интересны и работы Джулио Романо, Пармиджанино (1527, «Святой Рох», восьмая капелла), Лоренцо Косты (1492, «Богоматерь на троне», седьмая капелла), Амико Аспертини, и Виньолы.
Одна из фресок Джованни да Модена «Страшный суд», созданная по мотивам сцены из Данте, привлекает в наши дни особое внимание – дело в том, что на ней изображен пророк Мухаммед, низвергнутый в ад. С 2002 года группы мусульманских радикалов неоднократно угрожали взорвать базилику с фреской, содержащей столь некорректный, по из мнению, сюжет, в связи с чем церковь охраняется особенно тщательно.
