La Basílica de Sant Petroni és l'església principal de la ciutat italiana de Bolonya, de la que domina la Plaça Major. Les seves imponents dimensions -132 metres de longitud per 60 d'amplada, i una alçada de la cúpula de 45 metres- fan d'ella la cinquena església més gran del món.
Dedicada a sant Petroni, patró de la ciutat, de la que va ser bisbe en el segle V, la seva construcció es remunta a 1390, quan l'ajuntament va encarregar a Antonio di Vincenzo els treballs d'edificació d'una gran catedral en estil gòtic, que segons les primeres intencions hagués hagut de sobrepassar -en]dimensió- la Basílica de Sant Pere, a Roma -el projecte d'aquesta majestuositat va ser bloquejat per voluntat papal-.
La basílica va gaudir des d'un principi de gran prestigi, fins al punt d'ésser escollida per Carles V per a la seva coronació com a emperador per part de Climent VII el 1530.
Els treballs es van allargar durant segles: després de la realització de la primera versió de la façana, el 1393 es van iniciar les obres per a les capelles laterals, que van ser només concloses el 1479. Les decoracions de la nau central són obra de Girolamo Rainaldi, que les va portar a terme entre el 1646 i el 1658.
L'embelliment de la façana, amb els nous portals menors a manera de corol·lari de la porta gran central de Jacopo della Quercia, va suposar també el revestiment de la façana. Però les obres es van parar i van reprendre diverses vegades: nombrosos arquitectes -entre ells, Baldassarre Peruzzi, Jacopo Barozzi da Vignola, Andrea Palladio, Alberto Alberti- van ser nomenats per proposar solucions artístiques, sense trobar mai una definitiva. Avui dia la façana roman encara incompleta.
La basílica va ser transferida a la diòcesi solament el 1929 i no va ser consagrada fins al 1954; solament des de l'any 2000 alberga les relíquies del sant patró, fins aleshores conservades a la basílica de Santo Stefano.
En el seu interior destaquen la pintura el Matrimoni místic de Santa Caterina de Filippino Lippi, una Mare de Déu i Sants de Lorenzo Costa el Jove o una Pietat d'Amico Aspertini.
Són notables també el joc de colors dels morters i els vitralls policromats.
Es pot ressaltar també el cor de fusta del quattrocento d'Agostino de Marchi, els dos orgues monumentals -el de la dreta, de 1475, és el més antic per entre els orgues arribats fins nosaltres i el primer de registres independents, realitzat per Lorenzo di Giacomo da Prato; el de l'esquerra, obra de Malamini (1596), va ser un afegitó a la fi del segle XVI-, i el baldaquí de l'altar major, erigit el 1547 per Jacopo Vignola.
L'església acull les restes d'Elisa Bonaparte, germana de Napoleó.
La quarta capella al costat esquerre, la Capella Bolognini, decorada a inicis de 1400, té una decoració marmòria en estil gòtic; a l'altar es troba un políptic també d'art gòtic de fusta daurada i policromada, amb vint-i-set figures tallades i d'altres pintades. Les parets estan pintades al fresc, en la seva totalitat, per Giovanni de Mòdena: a la dreta el Viatge dels Reis Mags; en la del front, episodis de la vida de sant Petroni. A l'esquerra el complex del Judici Universal presenta una figuració de tipus dantesc, dividida en tres espais; amunt, el Paradís, lloc dels sants, amb la coronació de la Mare de Déu i Crist en una forma «ametllada» (Deisi); a baix, l'arcàngel Miquel i l'Infern dividit en «bolgies» (bolge, en italià, per l'obra de Dant), amb una gegantina figura de Llucifer i Mahoma reclinat.
També és possible admirar a l'interior de l'església la Meridiana de Giandomenico Cassini, construïda el 1655 sobre un projecte de l'astrònom Giovanni Domenico Cassini: els seus 66,8 m de llarg, fan d'ella la línia meridiana més llarga del món.