La chiesa è a tre navate, senza transetto, e col presbiterio sopraelevato. La volta a crociera è una modifica del XV secolo: infatti, in origine, il soffitto era a capriate lignee. Le navate sono scandite da l’alternarsi di colonne e pilastri, a cui sono addossate quattro semicolonne. Lungo tutto l’ordine superiore scorre un falso matroneo, la cui unica funzione era quella di alleggerire il setto murario, e di dare slancio alla struttura. Sotto il presbiterio si trova la cripta, che ospita il sepolcro del patrono di Modena: San Geminiano. Nella cripta si trova anche il gruppo scultoreo della Madonna della Pappa, opera di Guido Mazzoni databile tra il 1480-85, con la particolare scena del pasto di Gesù bambino.
In navata centrale, addossato ad un pilastro, si riconosce il pulpito di Enrico da Campione, scolpito nel 1322. In navata sinistra, si trova l’Altare delle Statuine, opera del 1440-41 di Michele da Firenze. Si tratta di un complesso altare tardogotico, in origine destinato all’altare centrale, che si contraddistingue per l’abbondanza della sua struttura tutta colonne tortili e pinnacoli. Nella quarta cappella laterale, si può vedere anche il delicato Presepio in terracotta di Antonio Begarelli (1527).
Lungo la navata destra si trova la Cappella Bellincisi, decorata con gli affreschi rinascimentali di Cristoforo da Lendinara (1472-76).
L’abside centrale, infine, ospita un altro elemento di grande interesse del duomo: il coro ligneo eseguito da Cristoforo e Lorenzo da Lendinara.