En la segunda mitad del siglo XVI el maestro de capilla fue Andrea Rota, músico muy apreciado en su momento.
Pero las obras se pararon y retomaron varias veces: numerosos arquitectos (entre ellos, Baldassarre Peruzzi, Jacopo Barozzi da Vignola, Andrea Palladio, Alberto Alberti) fueron llamados para proponer soluciones artísticas, sin encontrar nunca una definitiva.
La basílica fue transferida a la diócesis solo en 1929 y no fue consagrada hasta 1954; solo desde el año 2000 alberga las reliquias del santo patrón, hasta entonces conservadas en la basílica de Santo Stefano.
La basílica de San Petronio fascinó al poeta italiano Giosuè Carducci, que le dedicó la poesía Nella piazza di San Petronio.
La cuarta capilla en el lado izquierdo, la capilla Bolognini, decorada a inicios de 1400, tiene una rica transenna marmórea en estilo gótico; en el altar se encuentra un riquísimo políptico gótico de madera dorada y policromada, con veintisiete figuras talladas y otras pintadas.