A Basílica dedicada a São Petrónio (bispo da cidade no século V), e atual padroeiro de Bolonha, metade feita de tijolo e metade decorada em mármore policromático, foi ordenada construir pela Camara Municipal em 1388. Apesar das suas grandes dimensões (132 metros de comprimento, 60 de largura e 44 de altura), a Basílica possui uma aparência harmoniosa e equilibrada que atenua a verticalidade, por vezes exagerada, do estilo gótico, interpretando-o de uma maneira totalmente original. A linha meridiana que atravessa a nave lateral esquerda da Basílica de São Petrónio em ângulo foi traçada em 1655 pelo astrónomo Gian Domenico Cassini (1625-1712). A linha de 67 metros assinala o meio-dia local com um elevado grau de precisão. O relógio de sol funciona como uma câmara escura: os raios solares entram por um pequeno orifício no centro da quarta abóbada da nave lateral esquerda e são projetados no chão cerca de uma hora antes do meio-dia. O projeto inicial da Basílica era muito ambicioso: o plano era transformar a basílica gótica original, com transeptos e um tibório, numa imensa igreja de planta em cruz latina, coroada por uma cúpula e ladeada por quatro torres sineiras. O seu tamanho final teria mesmo superado o da Basílica de São Pedro, no Vaticano. A conclusão do projeto foi dificultada por problemas técnicos e económicos, bem como por alterações nas circunstâncias políticas e espirituais, e a Basílica permaneceu inacabada. A construção da Basílica estendeu-se por mais de três séculos e foi inteiramente financiada com fundos públicos. San Petrónio não foi concebida para ser a catedral de Bolonha, mas sim um templo cívico, estatal e municipal.