La basilica è divisa in tre navate sostenute da 24 colonne. Poche strutture appartengono all’edificio originario del V secolo.
Il vescovo Neone nel 458 fu sepolto all’interno dell’edificio, davanti l’altare, la sepoltura è oggi indicata da una lastra di porfido rosso. Le reliquie del vescovo sono collocate in un’arca di pietra di fronte alla finestra frontale della cripta.
L’abside neoniana era di forma rettangolare, da riferire dunque ad un edificio cruciforme, e diventò semicircolare probabilmente nel IX secolo.
Il campanile venne costruito agli inizi dell’XI secolo. Contemporaneamente fu realizzato un nuovo ciclo di affreschi nel muro della cripta, di cui rimane un arcangelo. A partire dal IX secolo (896) la chiesa comincia ad essere indicata come Basilica S. Petri Maioris e conserverà questo titolo fino al 1261, quando sarà affidata ai francescani e dedicata al fondatore della comunità. Al XIII secolo risale un’importante trasformazione della chiesa, con la costruzione del primo chiostro a nord dell’edificio. Nel 1321 vi si svolsero i funerali di Dante, alla presenza di Guido Novello da Polenta.
Il portico fu distrutto nel 1660. Nel 1793 venne ricostruita quasi interamente.
Al disotto del presbiterio si trova una cripta il cui pavimento è sommerso dall'acqua. La cripta è a tre navate e coperta con volte a crociera sorrette da quattro colonnine con capitelli geometrici. Attraverso l’acqua si possono vedere i frammenti del mosaico che copriva i pavimenti della basilica, ricollocati nel 1977. Tra questi un’iscrizione che ricorda l'originaria destinazione dell'ambiente, ossia quella di accogliere le spoglie del vescovo Neone.
