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La construcción de la Torre de Pisa se desarrolló en tres etapas durante un periodo de 177 años. La construcción de la primera planta comenzó el 8 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.
Existe controversia sobre la identidad del arquitecto: 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. Bonanno Pisano dejó Pisa en 1185 y marchó a Monreale, Sicilia. Su sarcófago fue descubierto al pie de la torre en 1820.
Después de que se construyera la tercera planta 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 1274 se añadió el tercer piso de la torre y a partir de entonces comenzó a inclinarse.
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.
La Torre y la catedral.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. Un conjunto de ingenieros, matemáticos e historiadores se asignó al proyecto y debatieron sobre los métodos de estabilización en las islas Azores. Tras dos décadas de trabajo, la torre fue cerrada al público en enero de 1990.
Después de una década de esfuerzos de reconstrucción y estabilización, fue reabierta al público el 15 de diciembre de 2001. Muchos métodos se propusieron para estabilizarla, incluyendo añadir 800 toneladas métricas de plomo de contrapeso. La solución final para corregir la inclinación fue eliminar 38 m³ de tierra de la zona inferior a la base, con lo que se considera que se garantiza la estabilidad de la torre para al menos otros 200 años.
Las labores de consolidación han permitido que la inclinación sea la que tenía en 1700: 3,99 metros de altura