Nella seconda metà del secolo XIX, dopo la demolizione delle arene provvisorie costruite sui baluardi della città e l'incendio del Teatro Aliprandi (1881), a Modena mancò un edificio teatrale destinato a spettacoli popolari e d'evasione.

A differenza del Teatro Comunale, affacciato su una delle vie principali del centro della città, lo Storchi sorse su un terreno (ceduto gratuitamente dal Comune) della nuova area edificabile ricavata con la costruzione della barriera Garibaldi (1884), a seguito dell'abbattimento di porta Bologna (1882). A questa particolare ubicazione il teatro deve anche l'altrettanto originale struttura architettonica con una duplice facciata - quella principale, a settentrione, rivolta verso piazza Garibaldi, e quella occidentale verso il passeggio delle mura (ora viale Martiri della Libertà) - eseguita in stile greco-romano secondo i dettami della coeva precettistica eclettica ben nota al Maestri, fine conoscitore dell'antichità e della relativa pubblicistica, colto costruttore o restauratore di residenze per la nuova borghesia in ascesa. 

L'architetto elaborò un progetto formalmente elegante ed armonioso, in cui l'uso ricercato della decorazione plastica differenziava le varie parti dell'edificio, modernamente dotato di locali di servizio, ridotto, fumoir, caffè. La realizzazione avvenne però in economia, su un terreno che si rivelò dall'inizio instabile, con l'impiego di materiali scadenti che ben presto ne compromisero la stabilità; l'ornamentazione, per stessa ammissione del Maestri, divenne grezza e sommaria, per cui già nel suo farsi il teatro assunse, soprattutto all'esterno, quell'aspetto disadorno che è lontano dalle immagini diffuse dal periodico "Ricordi di Architettura" in cui comparvero i disegni originali. 

Il fronte mostra due avancorpi con un doppio ordine di finestre binate e un coronamento a timpano; tra di essi sono poste due logge architravate con colonnato dorico la prima, e ionico la seconda, coperta a terrazzo a livello della cornice degli avancorpi. 

La facciata già verso le mura ha la medesima partizione, ma in origine mostrava la sola loggia di pianterreno coperta con una terrazza praticabile. Al momento dell'inaugurazione il teatro mostrava una platea con pianta a ferro di cavallo accessibile da un atrio con colonnine di ghisa e un loggione con parapetto in ferro e gradinata lignea. La sala esibiva la copertura a catino dipinta dal carpigiano Fermo Forti (con l'aiuto di Giuseppe Migliorini) che, con toni chiari e immagini allegoriche, raffigurava l'apoteosi di Gioacchino Rossini e di Carlo Goldoni. Dalla scala del secondo ordine si accedeva al foyer comunicante con le terrazze; locali di servizio e d'abitazione erano al piano superiore, a pianterreno il caffè dietro al palcoscenico i camerini per gli attori e sotto le scuderie per i cavalli degli spettacoli equestri, in previsione dei quali il pavimento della platea era mobile. 

Da perizie effettuate poco prima dell'apertura si rilevarono alcuni crepacci nella facciata di levante e ponente. 

Nel 1893, oltre al ripresentarsi degli stessi inconvenienti, si riscontrarono cedimenti nella volta che, unitamente alla cattiva acustica del teatro e a "stacchi" nel palcoscenico, ne determinarono una radicale ristrutturazione, affidata l'anno dopo all'ingegnere Luigi Sfondrini di Milano, già autore dei teatri Costanzi di Roma e Verdi di Padova. Questi provvide al rifacimento della copertura, ad una leggera modifica della curvatura della sala ed alla costruzione (1895) della seconda loggia nella facciata di ponente Negli anni seguenti si registrarono pressoché continui interventi alle coperture; nel 1929 fu restaurato l'esterno con rifacimenti d'intonaci e di cornici, sotto la direzione dell'ingegnere Francesco Benvenuti Messerotti, e nel 1931 il radicale intervento dell'architetto Mario Baciocchi di Milano ridusse la sala allo stato attuale. I lavori - che vennero seguiti dall'ingegnere Zeno Carani, noto costruttore del teatro di Sassuolo - compresero l'arretramento delle balaustre a filo dei palchi, ampliando così la platea (di cui si rifece il pavimento) che si allargò ulteriormente con la creazione del golfo mistico parzialmente posto sotto il palcoscenico, anch'esso rifatto, come del resto le graticciate. Si pose un telaio di vetro e ferro nel lucernario del soffitto (eseguito dallo Sfondrini), si rifecero inoltre la decorazione della sala e l'impianto d'illuminazione, restaurando poi gli uffici, il caffè e i rimanenti ambienti.