Sobre San Petronio se conoce muy poco de su vida y obra. Se conoce que fue obispo de Bologna durante el Siglo V y como obispo, fue responsable de la construcción de la iglesia de Santo Stefano de Bologna. Fue en esta iglesia donde descansaron las reliquias de San Petronio hasta que posteriormente fueron transferidas a la basílica que lleva su nombre.
Las reliquias fueron descubiertas en 1141 y poco después, se construyó la primera iglesia en honor de San Petronio. En 1390, comenzó la construcción de un templo más grande para el Santo Patrón de la ciudad italiana de Bologna. Aunque la iglesia fue consagrada en 1954, al día de hoy, la fachada de la iglesia permanece incompleta.
La Basílica se encuentra entre las iglesias más grandes del mundo en dimensiones. Su área interior de 7,920 metros cuadrados clasifica la estructura dentro de las veinte iglesias más importantes del mundo. Su prominencia domina la Piazza Maggiore y no es de extrañar que se conozca como la iglesia «más imponente» de Bologna. Originalmente, esta basílica fue diseñada para eclipsar la Basílica de San Pedro en Roma, pero el Papa Pío IV descarriló el proyecto.
Hacia el exterior y la parte posterior de la iglesia, se encuentra el acceso por escaleras y ascensores a lo que se llama la «Terraza Panorámica». La estructura metálica surgió como parte de los trabajos de restauración, inicialmente para la celebración de los 350 años de la finalización de la iglesia. La plataforma se encuentra cerca de 54 metros de altura siendo el punto de vista sobre el andamio de metal. Pocas estructuras en Bologna disfrutan de una vista tan espectacular de la ciudad como desde aquí.
En 1530, la basílica fue el lugar de la coronación del Emperador Carlos V por el Papa Clemente VII.