La Cappella Bolognini è probabilmente la più famosa della basilica, e l’unica che conserva ancora le decorazioni originali. L’altare polittico in legno raffigura ventisette figure, alcune dipinte e altre intagliate, realizzate da Jacopo di Paolo. Gli affreschi delle pareti laterali e di quella in fondo sono opera di Giovanni da Modena: sulla parete di fondo si possono vedere Episodi della vita di San Petronio, sul lato destro il viaggio dei Magi verso Betlemme, mentre sulla parete di sinistra si trovano in alto Il Giudizio Universale e in basso l’Inferno, dove viene esplicitamente mostrato il supplizio dei dannati in base al peccato commesso. Nonostante di solito questa rappresentazione venga considerata dantesca, in realtà le punizioni dei dannati riprendono stilemi più antichi e risalenti al duecento.