A torony építése 200 évig tartott és három szakaszban történt. A fehér márványból készült harangtorony első szintjének építése 1173. augusztus 9-én kezdődött, a jólét és katonai sikerek korszakában. A szintet klasszikus oszlopfőkkel díszített oszlopok szegélyezik.

Az építész személyazonossága mindmáig vitatott. Sok éven át a tervezést Guglielmo ésBonanno Pisanónak tulajdonították. Bonanno Pisano 1185-ben elhagyta Pisát és Szicíliábaköltözött, csak meghalni tért vissza szülővárosába. A torony lábánál elhelyezett szarkofágját csak 1820-ban találták meg.

Miután a harmadik emelet is megépült 1178-ban, a torony megsüllyedt a talaj gyengesége miatt. Építése száz évig szünetelt, mivel a pisaiak folyton hadban álltak Genovával,Luccával és Firenzével. Ezalatt az idő alatt a talaj némiképpen leülepedett. 1198-ban néhány órát helyeztek el a félkész tornyon.

1272-ben az építkezést Giovanni di Simone, a Camposanto építésze újraindította. További négy emeletet építettek, olyan szögben, hogy kiegyensúlyozza az elhajlást. Az építkezést1284-ben ismért leállították, amikor a pisaiak vereséget szenvedtek a genovaiaktól ameloriai csatában.

Az utolsó emeletet 1372-ben fejezték be, és ekkor állították fel a harangokat is. Hét harang van, a zenei skála minden hangjának egy. A legnagyobbat 1655-ben állították fel.

Úgy tartják, hogy Galileo Galilei két különböző tömegű ágyúgolyót dobott le a toronyból, hogy bebizonyítsa, az esési sebesség nem függ a tömegtől. Noha ezt a történetet Galileo egy tanítványa terjesztette, ma már legendának minősítik.

1838-ban Alessandro Della Gherardesca építész kiásatott egy utat a torony körül, hogy a torony alapja ismét láthatóvá váljon; ez ismét növelte az elhajlást.

Benito Mussolini elrendelte, hogy a tornyot ki kell egyenesíteni, ezért betont öntöttek az alapozásába. A torony ettől tovább süllyedt a lágy talajba.

A második világháború alatt az amerikai hadsereg majdnem minden pisai tornyot lerombolt. Tervezték a ferde torony felrobbantását is, de egy az utolsó pillanatban érkezett parancs megelőzte a rombolást.

1964-ben az olasz kormány segítséget kért, hogy megelőzzék a torony leomlását. Egy nemzetközi csoport (mérnökök, matematikusok és történészek) állt össze, hogy megbeszéljék a stabilizálás módszereit. Húsz évnyi munka után, 1990 januárjában a tornyot lezárták a nagyközönség elől. A harangokat elszállították, hogy a terhelés csökkenjen, és a harmadik szintről kábelekkel "lehorgonyozták" az építményt. Biztonsági okokból a torony körüli házakat kiürítették. Tíz évnyi restaurálás után 2001. december 15-éna tornyot ismét megnyitották a látogatók számára. A nyilatkozatok szerint a torony további 300 évig stabil marad.