Az akkor dicsősége és gazdagsága tetőfokán álló olasz város polgárai természetesen egyenes harangtornyot szerettek volna a dóm mellé, de alig jutottak el a második emeletig, amikor már látszott, hogy a torony nem teljesen függőleges.

Az ok igen egyszerű: a mocsaras talaj nem bírta el a hatalmas súlyt és megsüppedt. (Pisa neve egyes feltevések szerint a görög „ingoványos föld” jelentésű kifejezésből ered, és a városban nemcsak a torony ferde, hanem - ha nem is ennyire feltűnően – a San Michele dei Scalzi templom és a San Nicola templom harangtornya is, és süllyed maga a katedrális is.)
Az építkezést megszakították, és csak majdnem egy évszázaddal később folytatták. Az ma sem tisztázott teljesen, hogy az eredeti terveket Bonanno és Giovanni Pisano, avagy Diotisalvi készítette-e, az viszont biztos, hogy amikor 1272-ben Giovanni di Simone irányításával ismét munkához láttak, az eredeti magasságot a felére, 60 méterre csökkentették. A tornyot végül Tomasso d'Andrea fejezte be 1360 és 1370 között, aki sikerrel harmonizálta a harangszoba gótikus stílusát a román stílusú toronnyal.
A hibákat már az építkezés alatt igyekeztek korrigálni, így a dőlés oldalán magasabbra, az ellenkező oldalon alacsonyabbra építették az egyes szinteket, ezért ha a tornyot ma vízszintesbe állítanák, a másik oldalon lenne ferde.
A torony elkészültekor 1,4 méterrel tért el a függőlegestől, ez ma 3,9 méter, dőlésszöge jelenleg 3,99 fok. Magassága az egyik oldalon 56,70 méter, a másikon 55,86 méter, súlya mintegy 14 400 tonna, a hetedik emeletre 294, illetve a másik oldalon 296 lépcső visz fel. Állítólag Galilei – kihasználva a torony eltérését a függőlegestől – itt kísérletezett a szabadeséssel a 17. században, de ez vélhetőleg csak legenda.
A torony dőlésének megállítására számtalan ötlet merült fel. Akadtak, akik óriási léggömbökkel akarták „lábra állítani”, mások azt javasolták, hogy „szedjék szét” több ezer darabra és azután építsék fel újra. Az első, katasztrofális eredménnyel járó beavatkozást 1839-ben végezték el, a puha földet a talajvíz elszivattyúzásával akarták megszilárdítani.
Minden a perspektívától függ (kép forrása: Wikipédia/ Arne Müseler / www.arne-mueseler.com/ CC BY-SA 3.0 de)
Az „eredmény” azonnali és szemmel látható volt: a torony, amely a 16. század óta csak 5 centiméterrel ferdült, azonnal 20 centiméterrel dőlt meg. Egy évszázaddal később, 1934–35-ben a fasiszta diktátor, Benito Mussolini elrendelte a torony kiegyenesítését, ezért betont fecskendeztek a lágy talajba, majd 1959-ben újra ezzel a módszerrel kísérleteztek – a torony azonban ettől csak gyorsabban dőlt, mert a nagytömegű beton ránehezedett az építmény alapjaira és lefelé húzta azt.
Az 1980-as években a dőlés mértéke már több mint 4 métert tett ki, a torony 5 fokot és 22 percet mozdult el a függőlegestől, és biztonsági okokból 1990-ben bezárták. Az épület megmentésén két évtizeden át dolgoztak a szakemberek, akiknek a feladata a dőlés megállítása volt. A kiegyenesítés szóba sem jött, mivel a torony ferdén lett nevezetesség.
A dőlés ellensúlyaként először 670 tonna ólomöntvényt helyeztek el a talapzatnál, majd hozzáláttak a földfelszín alatti betonozáshoz, de ekkor a torony váratlanul megmozdult. Az építményt egy ideig acélkábelekkel, afféle „nadrágtartókkal” húzták visszafelé, az iszapos talajból leszívták a vizet és szilárd anyaggal helyettesítették azt, a talajcsúszást mesterséges földalatti mikroomlásokkal tartóztatták fel.
A beavatkozások eredményeként a torony lassan csaknem 44 centimétert egyenesedett, és legalább további háromszáz évig stabil lesz az állapota. A restaurálás 2011-ben fejeződött be, amikorra a tornyot megtisztították az évszázadok során ráragadt szennyeződésektől és a látogatók falfirkáitól, és ma ismét eredeti fehérségében csillog márványfala.