Il Duomo fu fondato il 9 giugno del 1099 per iniziativa delle varie classi sociali cittadine, come affermazione dei valori civici, culturali e religiosi della nascente Comunità.

Dedicato all'Assunta, è santuario di San Geminiano, Vescovo e patrono di Modena morto nel 397, del quale custodisce le spoglie. Progettato dall'architetto Lanfranco, presenta un'imponente facciata a cuspide fra due ali a spiovente.

Il rivestimento esterno è in pietra vicentina e veronese, con frequente reimpiego di marmi romani ritrovati scavando le fondamenta. La facciata è percorsa da una galleria di trifore che circonda l'intero edificio, dandogli unitarietà.

Al centro s'apre il portale scolpito da Wiligelmo, con Profeti scolpiti gli stipiti; sul fronte corre il motivo del "tralcio abitato" che evoca la selva, luogo popolato da mostri che simboleggia la continua lotta contro il male; nella parte alta del portale, il tralcio si trasforma in vigneto, la "Vigna del Signore" simbolo di salvezza. Il portale è preceduto dal protiro, arcata sorretta da due leoni, copie di sculture romane. Ai lati del portale e sulle due porte laterali, aperte dai Campionesi nel Duecento, le quattro lastre con Storie della Genesi, dalla Creazione di Adamo all'uscita di Noè dall'Arca, sono capolavori di Wiligelmo e vertici dell'arte romanica. Lo splendido rosone è opera duecentesca dei Maestri Campionesi.

Nel lato sulla Piazza Grande s'aprono la Porta dei Principi, romanica, con Storie di S. Geminiano scolpite da un seguace di Wiligelmo e la grande Porta Regia, sontuosa nei marmi rosati, costruita da Anselmo da Campione attorno al 1200 per volere della Comunità, creando così una sorta di facciata nel fianco sulla piazza Grande. Sui salienti del tetto le celebri "metope" con figure fantastiche, in copia, di un allievo di Wiligelmo (originali nel Lapidario del Duomo, a cui si rimanda).

Dopo le tre maestose absidi, sul fianco sinistro è la Porta della Pescheria, così detta dall'antico mercato del pesce. Seguaci di Wiligelmo vi illustrarono negli stipiti i Mesi con le attività dell'uomo legate alle stagioni; nell'arco sono scolpite le Storie di Artù, fra le più antiche raffigurazioni della famosa leggenda bretone, e nell'architrave Favole di Esopo. Vi si trovano così accostate la quotidianità del lavoro umano, le leggende medievali e la tradizione favolistica del mondo antico.

L'interno del Duomo, di straordinaria suggestione, è a tre navate, con presbiterio sopraelevato sulla cripta. Lanfranco ideò un sistema di sostegni che alterna le colonne marmoree della tradizione basilicale ai pilastri in mattoni della nuova ingegneristica, che consentono una maggiore elevazione dell'edificio. Al di sopra, nelle pareti che separano le navate s'aprono le trifore di finti matronei, che richiamano le arcatelle del loggiato esterno. La copertura a crociere è quattrocentesca. Al termine delle navate, sopra la cripta sporgono il pontile romanico dei Campionesi con l'Ultima Cena e l'ambone con Cristo in trono, sulla sinistra.

Si segnalano, a metà della navata destra, il Presepe in terracotta del modenese Antonio Begarelli, del 1527, gioiello di cultura raffaellesca; all'inizio della navata sinistra, la statua gotica di S. Geminiano, in legno dorato e dipinto; quindi, l'Altare "delle Statuine", polittico in terracotta di Michele da Firenze, seguace di Ghiberti e Donatello, del 1445; infine il dipinto con i Ss. Giovanni Battista, Sebastiano e Girolamo e la Madonna col Bambino, eseguita nel 1522 da Dosso Dossi, pittore della corte estense di Ferrara.

La bellissima cripta, con trentadue colonnine dai notevoli capitelli, alcuni di Wiligelmo e suoi allievi, altri più antichi provenienti dalla precedente cattedrale, accoglie il sepolcro di S. Geminiano; nei giorni attorno al 31 gennaio, festività del Santo, il sepolcro viene aperto per mostrarne le spoglie. A destra, la Sacra Famiglia, gruppo in terracotta del modenese Guido Mazzoni, del 1480. Nel soprastante presbiterio, l'abside centrale è recintata da colonnine dei Maestri Campionesi; sulle pareti, affreschi di fine Ottocento ispirati a mosaici paleocristiani; i sottostanti sedili del coro hanno tarsie quattrocentesche di Cristoforo e Lorenzo da Lendinara. Nell'abside sinistra, polittico gotico di Serafino de' Serafini.