Anche se l'aspetto appare unitario, benché articolato in vari corpi di fabbrica, il palazzo è il risultato della ristrutturazione sei-settecentesca di numerose costruzioni sorte a partire dal XII secolo, con funzione di sedi amministrative e di rappresentanza. L'antica Torre civica (oggi Torre Mozza, di cui rimane un piccolo resto sui tetti, a sinistra della Torre dell'Orologio) fu abbattuta nel 1671 in seguito a un terremoto, l'attuale Torre dell'Orologio, di origine medievale, fu ristrutturata e abbellita con marmi agli inizi del '500.

Dal maestoso scalone cinquecentesco si accede alle sale storiche. Nel cortile rimangono la scala verso via Scudari, archi tamponati, una bifora, e altre tracce degli edifici medievali aggregati nei secoli nel complesso edilizio comunale.

Al centro del cortile si innalza la statua di Perseo, eroe della mitologia greca, che tiene una spada nella mano destra mentre nella sinistra solleva la testa mozzata di Medusa. L'opera in marmo, episodio neoclassico dello scultore Cesare Aureli, seguace di Antonio Canova, proviene dalla celebre collezione d'arte del marchese Matteo Campori; nel 1952, il sindaco Alfeo Corassori, volendo abbellire il cortile del Municipio, ottenne dal marchese Egidio Campori di prelevare dal palazzo della nobile famiglia la statua, miracolosamente scampata ai bombardamenti del giugno 1944.

Gli interni

Al primo piano, nell'ingresso alle sale di rappresentanza è esposto un dipinto ovale di Camillo Gavasseti degli inizi del '600 raffigurante l'allegoria della Giustizia con i suoi attributi, la spada e la bilancia: è emblema del buon governo, competenza dei Giudici alle Vettovaglie, ufficiali comunali dalla cui sede, che sorgeva sulla Piazza Grande, il dipinto proviene.
Sulla destra si accede al Camerino dei Confirmati, saletta decorata nel 1770 da Antonio Carbonari e Girolamo Vannulli; vi si conserva la Secchia Rapita: un normale secchio di legno che ricorda ai modenesi la vittoria contro i bolognesi nel 1325 nella battaglia di Zappolino; i modenesi, infatti, inseguirono gli avversari fin dentro le mura di Bologna e  sottrassero la secchia a un pozzo, portandola a Modena come trofeo. La vicenda ha ispirato il poema eroicomico di Alessandro Tassoni La Secchia Rapita, del 1630.

Dal Camerino si accede a destra alla Sala del Fuoco, così detta per il monumentale camino dal quale i venditori del sottostante mercato potevano prelevare le braci per riscaldarsi. Alle pareti, un ciclo di pitture fra le più importanti dell'arte manieristica, di pieno Cinquecento, in ambito emiliano: gli affreschi, staccati, eseguiti da Nicolò dell'Abate nel 1546, che raffigurano episodi della "guerra di Mutina", la Modena romana, del 44 a.C., momento in cui i destini di Roma, dopo l'uccisione di Giulio Cesare, vennero decisi con battaglie e accordi dai grandi protagonisti - Marco Antonio, Decimo Bruto e Ottaviano - proprio sullo sfondo dell'antica Modena e dei territori limitrofi. Sia gli affreschi, con le vedute di Modena e di Bologna negli sfondi, sia il fregio che corre sotto il soffitto, che lo stesso splendido soffitto a cassettoni sono esemplari della cultura archeologica cinquecentesca, e della volontà di nobilitare la Comunità di Modena esibendone le radici illustri nella Mutina romana.

A sinistra rispetto al Camerino dei Confirmati, la seicentesca Sala del Vecchio Consiglio, mostra un soffitto decorato nei primi anni del '600 da Ercole dell'Abate e Bartolomeo Schedoni, con esempi tratti dalla storia antica e dalla mitologia di amore di patria e di buon governo; nell'ovale al centro l'Allegoria della Comunità con lo scudo crociato e le trivelle - che richiamano i pozzi artesiani frequenti nel territorio - con l'Aquila degli Este, duchi di Modena. Nel sottostante fregio, Scene della vita di San Geminiano, vescovo patrono della città, dipinto da Francesco Vellani nel 1766-1767. Alle pareti si dispongono gli antichi stalli dei Conservatori e il gonfalone della Comunità, dipinto su seta da Ludovico Lana nel 1633 con la Madonna del Rosario e San Geminiano; nella parte inferiore, una suggestiva veduta della Modena del tempo.

Dalla Sala del Vecchio Consiglio si raggiunge la Sala degli Arazzi con le sue settecentesche tele che fingono arazzi, opera settecentesca di Girolamo Vannulli che raffigurano la preparazione e la firma del Trattato di pace di Costanza (1183) che sancì l'affermazione del libero comune di Modena.

La successiva Sala dei Matrimoni mostra alle pareti dipinti di Adeodato Malatesta, il noto caposcuola dell'Ottocento modenese.

Nell'ala nord del palazzo, prospetta sulla piazza Grande la Sala delle Bifore, ambiente in cui è tornata alla luce parte della facciata duecentesca del Palazzo della Ragione, con bifore e trifore spettanti ai Maestri Campionesi, attivi nel cantiere del vicino Duomo; l'antico prospetto venne "nascosto" nel 1616 con la costruzione dell'odierna facciata.