Il teatro sorse dal 1838 per volontà della Comunità di Modena, in sostituzione dell'ormai insufficiente Teatro Comunale di via Emilia. Il progetto fu affidato a Francesco Vandelli, esponente di un gusto architettonico di misurata ed elegante classicità, che si documentò visitando i maggiori teatri contemporanei tra cui quelli di Piacenza, Mantova e il Teatro alla Scala di Milano.

Il teatro fu  inaugurato la sera del 3 ottobre 1841 con l'opera Adelaide di Borgogna al Castello di Canossa, musicata da Alessandro Gandini, maestro al servizio della corte ducale. Inserito nel tessuto storico della città, sull'area tra corso Canalgrande, vicolo Venezia e le vie Fonteraso e Santa Margherita ottenuta abbattendo numerosi edifici, il teatro si allinea ai monumentali palazzi di corso Canalgrande.

La facciata si articola in un portico a bugnato piatto, un primo ordine a finestre architravate dove risalta il lungo balcone nel settore centrale, sorretto da quattro colonne doriche, e un piano attico con finestre minori; alla sommità si eleva un fastigio con il gruppo statuario di Luigi Righi Il Genio di Modena che incorona lo stemma della città con un serto d'alloro, circondato da emblemi della musica e del teatro. Sul lato settentrionale si apre un largo porticato dove un tempo sostavano le carrozze per far scendere gli spettatori al coperto. Dello scultore Righi sono anche i bassorilievi che decorano i tre prospetti, che raffigurano episodi tratti da drammi di scrittori modenesi, o scene allegoriche con protagonisti autori e compositori sempre di origine modenese. Superato l'atrio di pianta ellissoidale, la sala del teatro si presenta a ferro di cavallo con quattro ordini di palchi - il palco ducale è sormontato da un fregio scolpito con Aquila estense dorata - e una galleria, con decorazioni pittoriche di Luigi Manzini rappresentanti la storia del genio e soggetti mitologici.

Il soffitto è ornato da Manzini e da Camillo Crespolani con Allegorie - la Musica, la Poesia, la Commedia, la Tragedia - alternate ai ritratti di Giuseppe Verdi, Vincenzo Bellini, Gaetano Donizetti, Gioachino Rossini e, verso il centro, con i medaglioni di Dante Alighieri, Torquato Tasso, Ludovico Ariosto e Francesco Petrarca; nel mezzo pende il grande lampadario collocato con l'introduzione della luce elettrica nel 1887, che un sistema di sollevamento consente di alzare al piano superiore per eseguirne la manutenzione.

Lo splendido sipario raffigurante Il duca Ercole d'Este che visita il teatro eretto in Ferrara nel 1486, soggetto celebrativo del mecenatismo estense in ambito teatrale, fu dipinto da Adeodato Malatesta, autorevole caposcuola e direttore dell'Accademia di Belle Arti di Modena dal 1839. Al piano superiore, il ridotto di pianta ellissoidale, aperto sul lungo balcone della facciata, è uno degli interni più raffinati dell'Ottocento modenese.

È intitolato al grande tenore modenese Luciano Pavarotti, che ha dato alla sua città fama mondiale. Sin dal suo sorgere, il teatro è stato centro importantissimo di cultura musicale e scenografica, proseguendo la rinomata tradizione locale ed emiliana in campo operistico e dello spettacolo.