L'odierno tempio fu edificato dal 1476, su disegno del capo mastro carpigiano Pietro Barabani, e consacrato nel 1518. La  facciata rinascimentale, dei primi del '500, spetterebbe ad Antonio e Andrea Barabani, fratello e figlio di Pietro. Suddivisa da lesene in cinque settori, restituisce l'articolazione interna in tre navate, con cappelle ai lati; i settori laterali si raccordano a quello mediano, concluso da timpano, tramite ali spioventi. In altezza, è ripartita su due livelli da una trabeazione con fregio in terracotta dei fratelli Andrea, Camillo e Paolo Bisogni, di un gusto archeologico informato sulla più eletta cultura del Nord Italia: un repertorio fantasioso che torna anche nel rosone in controfacciata, sempre dei Bisogni. L'interno, ancora nella tradizione gotica, è scandito da pilastri e concluso da tre absidi poligonali, la centrale più ampia in funzione di coro.

Spicca, nella seconda cappella di sinistra, la Madonna col Bambino in trono e i Santi Girolamo e Sebastiano, capolavoro di Francesco Bianchi Ferrari, protagonista dell'arte a Modena tra Quattro e Cinquecento. Del primo '500 è l'affresco con Cristo fanciullo nella crociera sinistra, che accoglie la tomba di Alessandro Tassoni, autore del poema "La Secchia rapita", del 1630. Il più precoce manierismo trova espressione, nella terza cappella di destra, nella Pietà di Pellegrino Munari, allievo di Raffaello, del 1520 circa. La più nobile Maniera modenese è presente con opere di Gian Gherardo dalle Catene, come l'Assunzione della Vergine del 1528 nella seconda cappella di destra e la Madonna col Bambino e i Santi Luca e Giovanni Battista del 1522 nella successiva sesta cappella. Di questo clima artistico è anche la Madonna col Bambino e i Santi Geminiano e Martino di Filippo da Verona del 1520 circa, nella sesta cappella di sinistra.

L'evoluzione del manierismo è attestata dalle pitture del complesso dell'organo monumentale, realizzato dal celebre organaro Giovan Battista Facchetti di Brescia nel 1524: i fratelli Giulio e Giacomo Taraschi eseguono gli affreschi della cantoria con Scene bibliche, e i Miracoli di San Pietro e di San Paolo all'interno delle ante dell'organo, ispirati a cartoni di Raffaello. Nell'abside centrale si ammirano saggi di altri manieristi modenesi: oltre alla copia del Martirio dei Santi Pietro e Paolo del celebre Nicolò dell'Abate (l'originale del 1547 è perduto) al centro del coro, sulla parete di destra la Conversione di San Paolo di Domenico Carnevali del 1564, e Gesù nell'orto di Giovan Battista Ingoni, del 1560 circa; a sinistra, la Trasfigurazione dello stesso Ingoni; al di sotto, lo splendido coro intagliato da Gian Francesco Testi fra il 1538 e il '42, con tarsie prospettiche di seguaci dei Lendinara. Di Ercole Setti, altro maestro della Maniera locale, la Sant'Orsola del 1568, nella quarta cappella di sinistra, e le grandiose Nozze di Cana nella controfacciata, dipinte nel 1589 su disegno di Lelio Orsi da Novellara, seguace dei modi di Michelangelo. Il manierismo più tardo si esprime nell'Annunciazione di Ercole dell'Abate del 1603, nella prima cappella di sinistra affrescata da Ercole Setti.

Il Cinquecento modenese ha l'apice nella statuaria di Antonio Begarelli, che nei decenni centrali del secolo rigenerò la tradizione locale della terracotta in un altissimo classicismo di radice raffaellesca, interpretando le tensioni religiose di una spiritualità rinnovata. Suoi, nell'abside destra, il gruppo della Pietà del 1546, con influenze dal Correggio; le sei statue nella navata centrale raffiguranti San Francesco e San Bonaventura, già in San Francesco di Modena, e la Madonna col Bambino, Santa Giustina, San Pietro e San Benedetto, un tempo nell'annesso monastero ove Begarelli visse come oblato benedettino; infine, nella crociera di destra, l'altare dei Santi Pietro e Paolo o "delle Statue", imponente complesso a cui l'artista lavorò a partire dal 1553 e dove fu sepolto.

Di grande suggestione è la sagrestia, vero gioiello dell'arte cinquecentesca, affrescata nella volta da Girolamo da Vignola nel 1578, con motivi vegetali che fingono un pergolato; le pareti sono circondate da sedili intarsiati eseguiti, per il lato destro, da Gian Francesco Brennona di Cremona verso la metà del '500. Sull'altare, l'Adorazione dei Magi, opera del celebre pittore bolognese Bartolomeo Cesi.

Il Monastero benedettino di San Pietro

Fondato pochi anni prima dell'anno Mille, il monastero fu ricostruito e ampliato a partire, sembra, dal 1506. Complesso grandioso che nei secoli giunse a occupare quasi tutto l'intero isolato, conserva il Chiostro monumentale o Cortile delle Colonne, con elegante porticato a colonne dai capitelli ionici degli inizi del Cinquecento, e il Cortile della Spezieria o della Fontana, che un recente restauro ha ripristinato e restituito alla coltivazione di erbe e di fiori, un tempo utilizzati per la vicina Spezieria "San Mauro" del Monastero; la Spezieria, di origini medievali, è aperta al pubblico con prodotti provenienti da comunità benedettine italiane ed europee.

Nel sagrato della basilica s'innalza un suggestivo monumento romanico: la Croce di San Pietro, databile al XIV secolo, con sottostante capitello duecentesco su colonna in granito d'Egitto, probabile avanzo di monumento romano reimpiegato.