Risalente all'XI secolo, l'originale cattedrale romanica venne distrutta da un incendio nel 1141, ricostruita nei decenni seguenti, fu consacrata nel 1184 da papa Lucio III.
Nel 1220 si lavorò sul lato destro aggiungendo la Parta dei Leoni. Nel 1396 fu aggiunto un portico alla facciata e nell'ultimo quarto del XV secolo l'interno venne affrescato da Francesco del Cossa e da Ercole de'Roberti (affreschi perduti).
Nel 1575 Domenico Tibaldi costruì il presbiterio e ristrutturò la cripta.
A partire dal 1605 la chiesa, che nel 1582 aveva ottenuto il rango di "Chiesa Metropolitana" da papa Gregorio XIII, venne completamente ricostruita ad eccezione della Cappella Maggiore del Tibaldi.
L'attuale facciata fu realizzata da Alfonso Torreggiani fra il 1743 e il 1747 per volontà di Benedetto XIV.
L'interno della chiesa è costituito da una sola grande navata con cappelle laterali fra loro comunicanti.

Fra le opere custodite nella chiesa:

- due acquasantiere sorrette da leoni in marmo rosso provenienti dalla porta dei leoni della basilica romanica,
- Il Beato Niccolò Albergati di Antonio Rossi
- San Pietro consacra Sant'Apollinare di Ercole Graziani
- Madonna col Bambino, Cristo e San Rocco di Marcantonio Franceschini
- San Pietro e papa Celestino di Vittorio Maria Bigari
- Elemosina di San Carlo Borromeo di Donato Creti
- Apoteosi di San Pietro affresco di Giovanni Francesco Spini
- Crocifisso e Santi del Bagnacavallo
- Pietà e Santi di Giovanni Maria Tamburini
- Madonna col Bambino e Santi di Elisabetta Sirani
- Gesù alla colonna di Giovanni Luigi Valesio
- San Pietro in Carcere di Girolamo Negri
- San Pietro che piange con Maria la morte di Gesù affresco di Ludovico Carracci
- Ss. Pietro, Paolo, Zama, Petroni quattro ovali di Ercole Graziani
- Annunciazione di Ludovico Carracci
- S. Ambrogio impedisce a Teodosio di entrare in chiesa di Giuseppe Marchesi detto Sansone
- S. Ignazio e la Madonna col Bambino di Donato Creti
- Battesimo di Gesù di Ercole Graziani