Dedicata al vescovo Petronio (V sec.) e iniziata nel 1390, questa chiesa avrebbe dovuto essere più grande di San Pietro a Roma. Il progetto venne però ridimensionato quando le autorità ecclesiastiche impiegarono una parte dei fondi per la costruzione del vicino Archiginnasio. Per questo motivo la facciata non è mai stata completata e la struttura è rimasta asimmetrica, con una fila di colonne sul lato est, che avrebbe dovuto costituire un’altra navata interna. Vi lavorò Jacopo della Quercia a cui si devono la Porta Magna, capolavoro del primo Rinascimento, e le statue della lunetta.
L’interno bianco e rosa è spazioso con alti pilastri che sostengono il soffitto; ventidue cappelle si aprono sulla navata centrale. Qui si trasferì il Concilio di Trento a causa della peste del 1547.