Nel 1838 la Comunità di Modena delibera di costruire un moderno teatro capace di rispondere pienamente alle esigenze rappresentative ed al decoro della città, ormai insufficientemente servita dal vecchio Teatro Comunale di via Emilia, sito nell'edificio in cui, dal Seicento, aveva sede l'antico teatro dei comici, il Valentini. 

La nuova costruzione è affidata all'architetto ducale Francesco Vandelli, già autore del Foro Boario e della chiesa di San Giovanni del Cantone, che prima di intraprenderne il progetto si reca in visita ad importanti teatri contemporanei tra cui, documentati da rilievi, sono quelli di Piacenza, Mantova e la Scala di Milano di cui sono appuntate le dimensioni nel verso di alcuni schizzi. 

I lavori iniziarono nel maggio 1838 sull'area prescelta, compresa tra Canalgrande, vicolo Venezia, Fonteabisso e strada Santa Margherita, in cui si provvide ad abbattere o a ridurre dodici case, ma nonostante ciò lo spazio risultò ugualmente insufficiente, per cui la facciata del teatro ruppe la simmetria delle case del Canalgrande. 

Ciò contribuì ad agevolare in lontananza la "lettura" della funzione dell'edificio, che di fatto è poi ostacolata dalla reale ristrettezza della via nella quale sorge. 

Per sostenere le ingenti spese rese necessarie dalla grandiosa costruzione, i palchettisti del vecchio Teatro Comunale furono invitati, e i più risposero favorevolmente, a permutare i palchi del vecchio teatro con equivalenti in quello nuovo; fecero prestiti al Comune di Modena quello di Formigine e la Congregazione di Carità di Mirandola; partecipò inoltre lo stesso duca, pagando il palco reale e fornendo marmi provenienti dalla Villa d'Este a Tivoli.

Dopo quasi quattro anni di lavoro il teatro - dotato di un ampio portico per le carrozze all'esterno, di numerosi locali di servizio (tra cui la spaziosa sala per la scenografia), di una sala dalla pianta a ferro di cavallo con quattro ordini di palchi e una galleria, oltre che un soffitto riccamente decorato - s'inaugurò la sera del 3 ottobre 1841 con l'opera Adelaide di Borgogna al Castello di Canossa, musicata da Alessandro Gandini (poesia di Carlo Malmusi) cui seguì il ballo Rebecca, con coreografie di Emanuele Viotti e scenografie di Camillo Crespolani.

Da quella data l'edificio non ha subito radicali mutamenti; attualmente presenta l'originaria facciata neoclassica con un portico a bugnato piatto a pianterreno, un primo ordine di finestre architravate e un piano attico con finestre minori. Il risalto della parte centrale è segnato da quattro colonne doriche sulle quali s'imposta una ringhiera a pilastretti che inquadra tre finestre scandite da lesene ioniche; a coronamento un fastigio decorato con il Genio di Modena che incornicia lo stemma della città. 

La facciata si impreziosisce con l'inserzione di una pregevolissima decorazione plastica costituita, oltre che da rosoni posti sugli archivolti a pianterreno, dai bassorilievi di Luigi Righi nei fianchi del porticato (soluzione certamente derivata dal Municipale di Piacenza) e in corrispondenza delle finestre del primo ordine. 

All'interno da un atrio ovale si accede ai palchi attraverso due rampe di scale e, attraverso la porta centrale, alla platea che ha pianta a ferro di cavallo, sotto tre ordini di palchi (con i rispettivi "camerini") conclusi da una galleria creata nel 1901 al posto del quarto ordine e dal loggione. 

Il soffitto, da cui pende il grande lampadario collocato con l'introduzione della luce elettrica nel 1887, è decorato con ornati di Camillo Crespolani e con figure di Luigi Manzini, autore anche degli stucchi con storie del Genio che corrono lungo le balconate dei palchi inquadrati da esili pilastrini. 

Nel 1869 fu eseguita una ridipintura del soffitto, da parte di Ferdinando Manzini, che propose l'aggiunta di quattro gruppi di putti. La sala è dotata di un golfo mistico creato nel 1935, di un vasto e attrezzato palcoscenico con graticciate originali e un sottopalco restaurato, con il piano del palcoscenico in legno sorretto da pilastrini in ferro. 

Negli anni Ottanta il teatro è stato sottoposto a numerosi interventi di restauro che si sono rivolti sia alle zone di servizio che alle attrezzature.

Nell'ottobre 2007 il Teatro Comunale è stato intitolato a Luciano Pavarotti, in memoria del grande tenore modenese ad un mese dalla sua scomparsa.