Le fondamenta del Duomo di Modena furono gettate il 23 maggio 1099 dove in precedenza erano sorte due chiese più antiche.
La Cattedrale fu dedicata all'Assunta e a San Geminiano, vescovo di Modena nel quarto secolo e patrono della città, le cui spoglie vennero traslate nel duomo nel 1106 alla presenza del papa Pasquale III e di Matilde di Canossa.
Nel 1184 la cattedrale fu consacrata dal papa Lucio III.
I lavori furono diretti dall'architetto Lanfranco in collaborazione con Wigilelmo mentre opere successive sull'edificio furono curate dai Maestri Campionesi.
I restauri eseguiti nel XIX secolo (dal 1852) e nel XX eliminarono sovrastrutture e modifiche realizzate in età rinascimentale e barocca restituendo al duomo, per quanto possibile, il suo aspetto originale.
Esterno
L'esterno dell'edificio è rivestito con pietra vicentina e veronese e con marmi romani di recupero.
La facciata monocuspidata presenta due contrafforti che la suddividono in tre parti e una galleria con arcate e trifore. Al centro si trova un grande rosone gotico sotto il quale si apre il portale maggiore, opera di Wiligelmo. I leoni che sorreggono l'edicola sovrastante il portale sono romani.
Anche i rilievi rappresentanti Storie della Genesi che ornano gli stipiti furono realizzati da Wiligelmo come molte decorazioni della facciata.
I due portali laterali furono aperti dai Campionesi in un secondo momento.
Il fianco destro che si affaccia su Piazza Grande oltre a ripetere come l'intero perimetro un motivo di arcate e trifore finemente lavorate, presenta un portale detto Porta dei Principi con edicola, rilievi e leoni stilofori. Al centro del fianco destro di apre la Porta Regia, anche essa con protiro, leoni stilofori ed edicola, che fu realizzata nel 1178 e destinata all'ingresso delle autorità cittadine in occasione della solenne festa di San Geminiano (31 gennaio).
Nel fianco sinistro si apre la Porta della Pescheria che prese il nome dal mercato che si teneva nello spazio antistante e che è munita di un protiro ridotto sorretto da leoni.
La torre campanaria, che aveva anche funzione di avvistamento, è alta 88 mt. ed è detta Ghirlandina dalla ghirlanda intorno alla cuspide. Fu progettata da Lanfranco, completata dai Campionesi e innalzata di 14 mt. nel 1580.

Interno
L'interno interamente in laterizio è illuminato dalle vetrate policrome del rosone, opera di Giovanni da Modena.
Le tre navate sono divise da file di colonne in marmo alternate da pilastri in muratura.
La copertura a crociere sostituì nel XV secolo quella originale.
Al termine delle navate si trova il pontile su sei colonne con capitelli istoriati.
La cripta a tre navate divise da sessanta colonne custodisce il sarcofago di San Geminiano.
La sagrestia alla quale si accede dall'abside sinistra fu costruita nel 1471.
La Sala Capitolare custodisce numerose opere d'arte, arazzi e opere di oreficeria, oltre all'archivio capitolare ricco di documenti e codici rari.

Fra le opere d'arte custodite nel Duomo:

- Arrigo da Campione: Pulpito (navata centrale)
- Domenico Carnevali: Conversione di San Paolo (Presbiterio)
- Girolamo Romanino: Vocazione di San Pietro (Presbiterio)
- Cristoforo da Modena: S. Ignazio in Carcere, S. Ignazio e la Vergine (affreschi navata centrale); Madonna della Piazza (affresco navata sinistra)
- Marco Antonio da Morbegno: Monumento a Lucia Rangoni (navata destra)
- Bartolomeo Spani: Monumento a Francesco Molza (navata destra)
- Ercole Ferrata: Monumento del vescovo Roberto Fontana (navata sinistra)
- Dosso Dossi: San Sebastiano fra i Ss. Girolamo e Giovanni Battista (navata sinistra)
- Anselmo da Campione: Scene della Passione (rilievi del pontile)
- Guido Mazzoni: Madonna della Pappa (gruppo in terracotta nella cripta)
- Geminiano Paruolo: Satua di San Geminiano (cripta)
- Serafino Serafini: Incoronazione della Vergine e Santi (cripta)
- Agostino di Duccio: Statua di San Geminiano (cripta)
- Francesco Bianchi Ferrari: Agnello pasquale, San Geminiano e Madonna col Bambino (affreschi nella sagrestia)
- Pelle Honorè: Madonna col Bambino (statua nella sagrestia)