בניית המגדל נמשכה 200 שנים. ב-9 באוגוסט 1173 הונחו היסודות למגדל והחלה הבנייה. ב-1178 כשהבנייה התקדמה לקומה השנייה החל הבניין לנטות. הבנייה התעכבה למשך כמעט 100 שנה, שבהן פיזה הייתה עסוקה במלחמות עם ג'נובה, לוקה ופירנצה. בזמן זה הקרקע התייצבה, והבנייה התחדשה ב-1260. ב-1272 מונה ארכיטקט אחר לפיקוח על הבנייה. בניסיון לאזן את הבניין הקומות העליונות נבנו כך שצד אחד שלהן גבוה מהצד השני, ולכן הבניין נראה מתעקם מעט. הבנייה נעצרה שוב ב-1284 כשפיזה הובסה במלחמה נגד ג'נובה. הקומה השביעית הושלמה ב-1319, וחדר הפעמונים הוסף לבסוף ב-1372.

השיפוע נגרם על ידי הקרקע הבלתי יציבה, שאינה מתאימה למבנים גבוהים. פני הקרקע הם בגובה של פחות משני מטרים מעל פני הים, והרכב הקרקע הוא שכבות של חול וטין.

במהלך מלחמת העולם השנייה גילה הצבא האמריקני כי הצבא הגרמני הקים עמדת תצפית על המגדל, וצפה ממנה על מערך הצבא האמריקאי שהיה מדרום לנהר הארנו. האמריקאים תכננו להפציץ את המגדל, אולם ברגע האחרון ניתנה הוראה שלא לבצע זאת.

בשנת 1987 הכריז אונסק"ו על רחבת "קמפו דיי מיראקולי" ("שדה הנסים") הכוללת את מגדל פיזה והקתדרלה כעל אתר מורשת עולמית.

בינואר 1990 נסגר המגדל לציבור והחלו בו פעולות שיקום, שהקטינו את השיפוע שלו בעשרה אחוזים. לפני השיקום השיפוע נאמד ב-5.5 מעלות, בערך 4.1 מטר, לעומת האנך היורד ממרכז המגדל. בשנת 2001 נפתח המגדל מחדש לקהל הרחב. השיפוע נכון ל-2019 הוא 3.97 מעלות, בערך 3.9 מטר.