בזיליקת סן פטרוניו, המוקדשת לקדוש הפטרון של העיר, ממוקמת בפיאצה מג'ורה והיא הכנסייה הגדולה והחשובה ביותר בבולוניה והשישית בגודלה בעולם.

בזיליקת סן פטרוניו, בולוניה
בנייתה החלה בשנת 1390 בפיקוחו של אנטוניו די וינצ'נצו והיא נבנתה בשלבים ולארוך התקופות (מה שמתבטא גם בחזית הכנסייה).
הפנים, שהושלם בתקופות שונות, מחולק לשלושה ספינות, הנפתחות אל עשרים ושתיים קפלות מעוטרות על ידי אמנים, כולל פרנצ'סקו פרנצ'יה (Francesco Francia), "מדונה עם קדושים" של לורנצו קוסטה , פארמיג'יאנו (Parmigianino) ודונאטו קרדי (Donato Credi).
קפלת שלושת השליחים (Cappella dei Re Magi) או בולוני (Cappella Bolognini) פופולרית מאוד בקרב המבקרים. קירותיה צוירו בציורי קיר מפוארים על ידי ג'ובאני דה מודנה עם סצנות המייצגות את "גן עדן" ו"גיהנום". בין השאר צוירה פה דמותו של מוחמד בין הרשעים בגיהנום, דבר שעורר מחלוקות לאורך השנים. ב-2006 סיכלה המשטרה האיטלקית מזימה של טרוריסטים מוסלמים להרוס את הבזיליקה בגלל ציור

קפלת שלושת המאגים, בזיליקת סן פטרוניו, בולוניה
בקפלת סן פטרוניו (Cappella di San Petronio) תמצאו ציורי קיר המתארים את חייו של סן פטרוניו ופסלים ודמויות קדושים. המזבח מאד מרשים ועיצוב כולל גילופי שיש ועבודות עץ אמנותיות.

קפלת סן פטרוניו, בזיליקת סן פטרוניו, בולוניה
גם הקו המרידיאני (מעין שעון שמש מתוחכם) של האסטרונום קאסיני (1655) ידוע – זהו קו שמשולב ברצפת הכנסייה ונחשב ליצירה מדעית-אמנותית מרשימה והארוך בעולם (66.8 מטרים). בכל יום, בשעה 12:00בצהריים קרן אור מהשמש פוגעת בדיוק בנקודה המציינת את אותו יום בשנה על הקו המרידיאני.

הקו המרידיאני, בזיליקת סן פטרוניו, בולוניה; By Dimitris Kamaras, CC BY 2.0
פה גם נמצא עוגב שעדיין מתפקד, שנבנה בסביבות 1470 על ידי לורנצו דה פראטו והוא העתיק בעולם שעדיין נמצא בשימוש.