A dicsősége és gazdagsága tetőfokán álló toszkán 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. A városban nemcsak a torony ferde, hanem – ha nem is ennyire feltűnően – a San Michele degli Scalzi-templom és a San Nicola-templom harangtornya is, és süllyed maga a katedrális is. Egyébként Pisa neve is egyes feltevések szerint a görög „ingoványos föld” jelentésű kifejezésből ered.
A torony építését megszakították, és csak majdnem egy évszázaddal később folytatták. Az ma sem tiszta 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. Az építmény elkészültekor 1,4 méterrel tért el a függőlegestől, ma már 3,9 méterrel, a dőlésszög jelenleg 3,99 fok. Magassága az egyik oldalon 56,70, a másikon 55,86 méter, tömege mintegy 14 400 tonna, a hetedik emeletre 294, a másik oldalon 296 lépcső visz fel. Állítólag Galilei – kihasználva a torony függőlegestől való eltérését – 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. 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 miniszterelnök, 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 nagy tömegű beton horgonyhoz hasonlóan nehezedett az építmény alapjaira, és lefelé húzta.
