L'inclinazione dell'edificio misura 3,97° rispetto all'asse verticale. La torre è gestita dall'Opera della Primaziale Pisana, ente che gestisce tutti i monumenti della Piazza del Duomo di Pisa. È stata proposta come una delle sette meraviglie del mondo moderno.

 

I lavori iniziarono il 9 agosto 1173. Le fondamenta vennero lasciate a riposare per un anno intero. Alcuni studi attribuiscono la paternità del progetto all'architetto pisano Diotisalvi, che nello stesso periodo stava costruendo il battistero.

 

Le analogie tra i due edifici sono infatti molte, a partire dal tipo di fondazioni. Altri suggeriscono invece Gherardi, mentre secondo il Vasari i lavori furono iniziati da Bonanno Pisano. La tesi del Vasari fu ritenuta valida soprattutto dopo il ritrovamento nelle vicinanze del campanile di una pietra tombale col nome del Bonanno, murata nell'atrio dell'edificio; inoltre nell'Ottocento fu rinvenuto sempre nei dintorni un frammento epigrafico di materiale rosa, probabilmente un calco su cui venne fusa una lastra metallica, che trova collocazione sullo stipite della porta di ingresso dell'edificio. Su tale frammento si legge, rovesciato: "cittadino pisano di nome Bonanno". Tale calco con tutta probabilità era relativo alla porta regia del Duomo, distrutta durante l'incendio del 1595.

 

La prima fase dei lavori fu interrotta a metà del terzo piano, a causa del cedimento del terreno su cui sorge la base del campanile. La cedevolezza del terreno, costituito da argilla molle normalconsolidata, è la causa della pendenza della torre e, sebbene in misura minore, di tutti gli edifici nella piazza.

 

I lavori ripresero nel 1275 sotto la guida di Giovanni di Simone e Giovanni Pisano, aggiungendo alla costruzione precedente altri tre piani. Nel tentativo di raddrizzare la torre, i tre piani aggiunti tendono a incurvarsi in senso opposto alla pendenza. Il campanile fu completato alla metà del secolo successivo, aggiungendo la cella campanaria.

 

Dalla sua costruzione lo strapiombo è sostanzialmente aumentato, ma nel corso dei secoli ci sono stati anche lunghi periodi di stabilità o addirittura di riduzione della pendenza. Nel corso dell'Ottocento il campanile fu interessato da importanti restauri, che portarono, ad esempio, all'isolamento del basamento della torre. I lavori, effettuati sotto la direzione di Alessandro Gherardesca, contribuirono a sfatare definitivamente la teoria, sostenuta da alcuni studiosi dell'epoca, secondo la quale il campanile sarebbe stato pensato pendente sin dalla sua origine.

 

Difatti, i saggi del terreno effettuati durante i restauri portarono alla luce la presenza di una notevole quantità di acqua sotterranea che rendeva cedevole il terreno. Per far fronte a questo problema, ne vennero aspirate grandi quantità dal sottosuolo con l'ausilio di pompe, ma ciò favorì il fenomeno della subsidenza e il conseguente aumento della pendenza della torre. Negli ultimi decenni del XX secolo l'inclinazione aveva subito un deciso incremento, tanto che il pericolo del crollo si era fatto concreto. Nel 1993 lo spostamento dalla sommità dell'asse alla base era stato valutato in circa 4,47 metri, ovvero circa 4,5 gradi.

 

Durante i lavori di consolidamento, iniziati nel 1990 e terminati alla fine del 2001, la pendenza del campanile è stata ridotta tramite cerchiatura di alcuni piani, applicazione temporanea di tiranti di acciaio e contrappesi di piombo (fino a 900 tonnellate) e sottoescavazione, riportandola a quella che, presumibilmente, doveva avere 200 anni prima. Inoltre, si è consolidata la base per consentire di mantenere in sicurezza la torre per almeno altri tre secoli, permettendo così l'accesso ai visitatori. A partire dal 2004, è iniziato il restauro di tutte le superfici lapidee esterne e il restauro e l'allestimento degli ambienti interni. Alcuni di questi interventi sono stati realizzati grazie ai fondi del Gioco del Lotto, in base a quanto regolato dalla legge 662/96.

Dal marzo 2008 la torre ha raggiunto il livello definitivo di consolidamento sotto il profilo dell'inclinazione, attestatosi di nuovo su 3,97°, un valore che dovrebbe rimanere inalterato per almeno altri 300 anni. Il successo dell'operazione è legato al nome di Michele Jamiolkowski, docente del Politecnico di Torino e presidente del Comitato internazionale per la Salvaguardia della Torre di Pisa dal 1990 al 2003, a quello di Carlo Viggiani, docente del Dipartimento di ingegneria geotecnica dell'Università degli Studi di Napoli Federico II e presidente del Comitato internazionale per la conservazione dei monumenti e dei siti storici e a quello dell'ingegnere John Boscawen Burland, professore del Dipartimento di ingegneria civile dell'Imperial College di Londra.

 

Dopo vent'anni, il 22 aprile 2011 sono terminati i lavori di restauro delle superfici lapidee, sia sugli esterni che negli interni.

 

La struttura del campanile incorpora due stanze: una alla base della torre, nota come sala del Pesce, per via di un bassorilievo raffigurante un pesce; tale sala non ha soffitto, essendo di fatto il cavo della torre. L'altra invece è la cella campanaria, al settimo anello. Delimitata dalle mura del camminamento superiore, è anch'essa a cielo aperto e al centro, tramite un'apertura, è possibile vedere il pian terreno della torre. Sono inoltre presenti tre rampe di scale: una ininterrotta dalla base fino al sesto anello, dove si esce all'esterno; una, a chiocciola più piccola che porta dal sesto anello al settimo; infine una ancor più piccola, sempre a chiocciola, che porta dal settimo anello alla sommità.