La grande basilica, iniziata nel 1390 su disegni di Antonio di Vincenzo, ma terminata nel 1659, è un illustre esempio del gotico italiano. Dei tre portali, il mediano (porta Magna) è ornato delle sculture** del senese Jacopo della Quercia (1425-38), capolavoro della fase di transizione dal gotico al rinascimento; i portali minori hanno rilievi e statue di vari artisti del '500. Nei fianchi, finestroni a trafori marmorei; lungo il fianco destro si leva il campanile del 1481-92. L'interno, di struttura gotica, è a pianta basilicale a tre navate. Navata destra: nella 2ª cappella, affreschi quattrocenteschi e polittico attribuito a Tommaso Garelli; nella 3ª, affresco a scomparti di artista lombardo (seconda metà del sec. XV); nella 4ª, transenna marmorea (1483), affreschi quattrocenteschi e vetrate di Giacomo da Ulma (1466); nella 5ª, Pietà, di Amico Aspertini (1519); nella 6ª, S. Girolamo*, tavola di Lorenzo Costa, e Madonna col Bambino in terracotta (1543); nell'8ª, chiusa da transenna marmorea (1525), all'altare, ancona di marmo su disegno del Vignola (1550) e stalli* intarsiati del 1521; nella 9ª, statua di S. Antonio da Padova attribuita a Girolamo da Treviso (sec. XVI) e, alle pareti, Miracoli del santo dello stesso artista (1526); di fronte all'11ª, in una nicchia, Compianto su Cristo morto, gruppo in terracotta di Vincenzo Onofri (fine sec. XV). Nel presbiterio: tribuna progettata dal Vignola sopra l'altare maggiore; coro intarsiato (1477) e organi (quello di destra, del 1471-75, è tra i più antichi d'Italia). Navata sinistra: nella 9ª cappella, cancellata di ferro battuto del 1482 e, all'altare, tela di Denijs Calvaert; nell'8ª, S. Rocco* del Parmigianino; nella 7ª (transenna marmorea del '400), Madonna e santi* di Lorenzo Costa (1492); nella 5ª, Martirio di S. Sebastiano* di scuola emiliana del '400 (ai lati, Annunciazione: l'angelo è di Francesco Francia, la Vergine di Lorenzo Costa); pavimento di maiolica faentina (1487); la 4ª cappella, chiusa da transenna marmorea gotica, ha all'altare un polittico ligneo gotico, di scuola veneta del primo '400, e le pareti rivestite di affreschi* di Giovanni da Modena e aiuti (1410-15); le vetrate sono del '400; la 2ª cappella (di S. Petronio), con cancellata in ferro (sec. XVIII), ha decorazione settecentesca (Alfonso Torreggiani); nella 1ª, altri affreschi di Giovanni da Modena (1420). Sul pavimento, in corrispondenza della navata sinistra e fino alla facciata, è tracciata una famosa meridiana (1655).