El primer esment històric de la diòcesi de Mòdena es remunta al segle iv i està vinculat a la figura de sant Geminià, que va participar en el Sínode de Milà del 390 presidit per sant Ambròs. A partir de la Vita di Geminiano també sabem el nom del seu predecessor i successor a la càtedra de Mòdena: Antonino e Teodoro (Teodolo).
El 1099 van començar els treballs de la construcció de la nova catedral. El 1106 les principals instal·lacions estaven preparades i l'església va ser inaugurada en presència del Papa Pasqual II i la comtessa Matilde de Canossa; en aquesta ocasió van ser traslladades solemnement les relíquies de sant Geminià. Els treballs i la decoració interior de la catedral es van completar el 1184, quan l'església va ser consagrada pel Papa Luci III.
El 1148 la pena de Mòdena va ser privada de la seu episcopal pel papa Eugeni III i la diòcesi es va dividir entre les diòcesis veïnes. No obstant això, no és clar si la mesura no es va aplicar; però, va ser de curta durada, car en 1156 Mòdena ja tenia el seu propi bisbe.
El 1276 va haver-hi serioses disputes en l'elecció del bisbe: el capítol es dividí en dues faccions i va triar a dos bisbes, un dels quals va morir i l'altre es va rendir. Mentrestant, la ciutat de Mòdena va ser castigada amb l'excomunió i l'interdetto, fins al 1280, quan el Papa va triar a un nou bisbe.
El ritu romà va ser adoptat a Mòdena durant la primera meitat del segle xv, durant l'episcopat de Carlo Boiardo, per imposició de Papa Eugeni IV.
Durant el segle xvi, Mòdena va ser un dels centres del protestantisme italià, va trobar a un grup de devots apassionats encapçalats per l'escriptor Lodovico Castelvetro. El Bisbe Giovanni Gerolamo Morone, considerat massa feble contra els heretges, va ser deposat, arrestat i empresonat al castell de Sant'Angelo de Roma, acusat d'estar a favor de l'heretgia protestant. Només després de la mort del Papa Pau IV va ser posat en llibertat, rehabilitat i pogué tornar a la seva seu de Mòdena. Més tard va protagonitzar el Concili de Trento i va fundar el seminari diocesà.
Entre les figures més prominents del clergat de la diòcesi de Mòdena emergeix el sacerdot i estudiós dels assumptes eclesiàstics Ludovico Antonio Muratori, autor de la monumental col·lecció Rerum Italicarum Scriptores i a qui el Papa Pius XII dedicà un record meravellós en el segon centenari de la seva mort.[1]
Seu de Nonantola
L'abadia de Nonantola va ser fundada pel llombard Anselmo, germà del rei Aistulf, al segle viii. Amb l'arribada a Nonantola de les restes dels PapesSant Silvestre i Adrià III, l'abadia augmentà d'importància rebent cada cop més pelegrins, fins al punt que vers l'any 1000 l'abadia acullia 1.000 monjos.
A partir de 1449 es va posar fi a la sèrie d'abats-monjos, i l'abadia va ser confiada als abats comendadors, majoritàriament cardenals. Entre els abats també hi va haver Giuliano della Rovere, més tard elegit Papa Juli II, i Sant Carles Borromeo.
El gener de 1514 els monjos benedictins van abandonar el monestir, que va ser confiat als cistercencs. Les condicions pactades va ser que els monjos tenien el deure d'elegir el seu prior i administrar la possessió de l'església i del monestir, mentre que el palau de l'abat passava a ser propietat de l'abat-comendador.
El 1567, el cardenal Borromeo va fundar el seminari, dotant-lo personalment de 6.000 escuts va i escriure la seva regla; també instituí l'obligació de la visita pastoral del territori dependent de l'abadia. A petició del cardenal mateix es va fer el primer sínode diocesà a la catedral de Nonantola el 4 de desembre de 1565.
Pel sínode celebrat per l'abat-comanador Jacopo de Angelis el 1688 es mostra que el territori depenent de l'abadia era molt gran. Es va incloure a més de 300 esglésies disperses, no només en el seu propi territori de Nonantola, en moltes diòcesis italianes (incloses Parma, Piacenza, Cremona, Pavia, Màntua, Verona, Vicenza, Treviso, Bologna, Pistoia, Florència, Perusa i Assís) incloent una església a Constantinoble, sense incloure la terra i castells a Ravenna, prop de Milà, Piemont i al Llac de Garda, on l'abat exercia la jurisdicció temporal, així com altres drets, com ara els molins i els drets de pesca i la navegació en el Panaro.
El 1783 els cistercencs també va deixar l'abadia. Francesco Maria d'Este, bisbe de Reggio Emilia i abat comanador, a continuació, va establir a la catedral un capítol de canonges en substitució del del monestir. Per a la cura del bisbe mateix es va ampliar el seminari per allotjar gairebé 80 seminaristes.
Amb la invasió francesa de 1797 va començar la crisi de l'abadia i de la diòcesi, que va ser desposseïda de tots els seus béns. En el concordat italià entre el govern francès i el Papa Pius VII de 1803 l'abadia territorial va ser suprimida i el seu territori es va unir a Mòdena. No obstant això, Francesco Maria d'Este va continuar governant la seu nonantolana com a administrador apostòlic.
Després de la tempesta el francès, el duc de Mòdena, Francesc IV va demanar i va obtenir la restauració de l'abadia territorial, decisió presa per Pius VII el 15 de desembre de 1820; l'abadia nullius, territorialment reduïda només a Nonantola, va ser confiada als bisbes pro tempore de Mòdena.
Seus unides
El 23 d'octubre de 1902 l'abadia nullius de Nonantola va convertir en sufragània de l'arxidiòcesi de Mòdena, al qual es van unir l'1 de maig de 1906 mitjançant el decret Ex decreto de la Sagrada Congregació Consistorial.
El 30 de setembre de 1986, de conformitat amb el decret Instantibus votis de la Congregació per als Bisbes, es va establir la plena unió de les dues seus i el nou districte eclesiàstic va prendre el seu nom actual.