La construcción de la torre de Pisa se desarrolló en tres etapas durante un periodo de 199 años. La construcción de la primera planta comenzó el 9 de agosto de 1173, en un periodo de éxito militar y prosperidad. La primera planta está rodeada de semicolumnas con capiteles clásicos y arcos ciegos, todo ello en mármol de color muy blanco.

Durante muchos años el diseño se atribuyó a Guglielmo, un artista residente en Pisa en el siglo XII, famoso por sus piezas de bronce fundido, particularmente en la catedral de Pisa. Sin embargo, una reciente investigación determinó que la autoría del edificio correspondería finalmente a Bonanno Pisano, el cual dejó Pisa en 1185 y se trasladó a Monreale, Sicilia. Su sarcófago fue descubierto al pie de la torre en 1820.

Después de que se construyera el tercer piso en 1178, la torre se inclinó tres metros hacia el norte, debido a unos cimientos débiles, en un subsuelo inestable. El diseño de esta torre era imperfecto desde su comienzo y su construcción cesó durante un siglo, debido a las guerras entre los pisanos y los Estados vecinos. Este lapso permitió al suelo asentarse; de otro modo, la torre se habría derrumbado.

En 1272, Fernando di Vincenzo, arquitecto autor del camposanto, retomó la construcción. Se añadieron entonces cuatro nuevas plantas, construidas con cierto ángulo con objeto de contrarrestar la inclinación. Las obras se detuvieron nuevamente en 1284 tras la victoria genovesa ante Pisa en la batalla de Meloria.

En 1372 Tommasso di Andrea Pisano construyó la última planta (el campanario) y se colocaron las campanas. Se considera que su intervención combina armónicamente los elementos góticos del campanario con el estilo románico de la torre. Las campanas son siete y cada una corresponde a una nota de la escala musical; la mayor de ellas fue instalada en 1655. Sin embargo, tras la conclusión del campanario, la torre empezó de nuevo a inclinarse, esta vez hacia el sur.

Se dice que Galileo Galilei dejó caer dos balas de cañón de diferente masa desde la torre para demostrar que la velocidad de descenso era independiente de la masa. La historia, aunque descrita por un estudiante del propio Galileo, se considera un mito.

Unos pocos años después de finalizada la torre, el daño en su estructura se hizo manifiesto y muchos de los elementos de piedra originales realizados en mármol de San Giuliano fueron sustituidos; para ello, se empleó mármol blanco de Carrara.

Alessandro della Gherardesca excavó un camino alrededor de la torre para hacer visible la base. Esto causó una inundación de la base y, de nuevo, un incremento de su inclinación.

El 27 de febrero de 1964, el Gobierno de Italia pidió ayuda para evitar la caída de la torre de Pisa.

A partir de 1993, se añadieron 870 toneladas de contrapesos de plomo, que enderezaron ligeramente la torre.[1]​

La torre fue cerrada al público el 7 de enero de 1990,[2]​ tras más de dos décadas de estudios de estabilización y espoleado por el abrupto derrumbe de la Torre Cívica de Pavía en 1989.[3]​[4]​ Las campanas fueron retiradas para aliviar algo de peso, y los cables fueron cinchados alrededor del tercer nivel y anclados a varios cientos de metros. Los apartamentos y las casas que se encontraban en la trayectoria de una posible caída de la torre fueron desalojados por seguridad. El método elegido para evitar el derrumbe de la torre fue reducir ligeramente su inclinación hasta un ángulo más seguro retirando 38 metros cúbicos (10 039 galAm) de tierra de debajo del extremo elevado. La inclinación de la torre se redujo en 45 centímetros (17,7 plg), volviendo a su posición de 1838. Tras una década de esfuerzos de reconstrucción y estabilización, la torre se reabrió al público el 15 de diciembre de 2001, y fue declarada estable durante al menos otros 300 años.[1]​ En total, se retiraron 70 toneladas de tierra.[5]​

Las labores de consolidación han permitido que la inclinación sea la que tenía en 1700, 3.9 metros de la vertical.