比萨大教堂钟楼的建造开始于1173年8月，设计为垂直建造，但是在工程开始后不久（1178），便由于地基不均匀和土层松软而倾斜，1372年完工，塔身倾斜向东南。
工程曾间断了两次很长的时间，历经约二百年才完工。它的设计者是那诺·皮萨诺。
过去人们曾一度认为钟楼是故意被设计成倾斜的，但是事实并非如此。
作为比萨大教堂的钟楼，1173年8月9日开始建造时的设计是垂直竖立的，原设计为8层，高54.8米，它独特的白色闪光的中世纪风格建筑物，即使后来没有倾斜，也将会是欧洲最值得注意的钟楼之一。
比萨斜塔为什么会倾斜，专家们曾为此争论不休。尤其是在14世纪，人们在两种论调中徘徊，比萨斜塔究竟是建造过程中无法预料和避免的地面下沉累积效应的结果，还是建筑师有意而为之。
进入20世纪，随着对比萨斜塔越来越精确的测量、使用各种先进设备对地基土层进行的深入勘测，以及对历史档案的研究，一些事实逐渐浮出水面：比萨斜塔在最初的设计中本应是垂直的建筑，但是在建造初期就开始偏离了正确位置。
比萨斜塔之所以会倾斜，是由于它地基下面土层的特殊性造成的。比萨斜塔下有好几层不同材质的土层，各种软质粉土的沉淀物和非常软的粘土相间形成，而在深约一米的地方则是地下水层。这个结论是在对地基土层成份进行观测后得出的。最新的挖掘表明，钟楼建造在了古代的海岸边缘，因此土质在建造时便已经沙化和下沉。
然而1838年的一次工程导致了比萨斜塔突然加速倾斜，人们不得不采取紧急维护措施。当时建筑师Alessandro della Gherardesca在原本密封的斜塔地基周围进行了挖掘，以探究地基的形态，揭示圆柱柱础和地基台阶是否与设想的相同。这一行为使得斜塔失去了原有的平衡，地基开始开裂，最严重的是发生了地下水涌入的现象。这次工程后的勘测结果表明倾斜加剧了20厘米，而此前267年的倾斜总和不过5厘米。
1838年的工程结束以后，比萨斜塔的加速倾斜又持续了几年，然后又趋于平稳，减少到每年倾斜约0.1厘米，塔身偏离“自然姿势”已有5米多。
1934年，在地基及四周喷入90吨水泥，实施基础防水工程，塔身反而更加不稳，向周围移动，倾斜得更快。
比萨斜塔毫无疑问是建筑史上的一座重要建筑。在发生严重的倾斜之前，它大胆的圆形建筑设计已经向世人展现了它的独创性。
虽然在更早年代的意大利钟楼中，采用圆形地基的设计并不少见，类似的例子可以在拉文纳、托斯卡纳和翁布里亚找到，但是，比萨钟楼被认为是独立于这些原型，在更大程度上，它是在借鉴前人建筑经验的基础上，独立设计并对圆形建筑加以了发展，形成了独特的比萨风格。
比如，钟楼的圆形设计被认为是为了同一旁的大教堂建筑形成反射而相对应，因此有意地模仿教堂半圆形后殿的曲线设计。更重要的是，钟楼与广场上对圆形结构的强调是相一致的，尤其是在宏伟的、同样是圆形的洗礼堂奠基以后，整个广场更像是有意设计成耶路撒冷复活教堂（Anastasis）的现代版本。这种的设计正来源于经典的古代建筑。
钟楼的装饰格调继承了大教堂和洗礼堂的经典之作，墙面用大理石或石灰石砌成深浅两种白色带，半露方柱的拱门、拱廊中的雕刻大门、长菱形的花格平顶、拱廊上方的墙面对阳光的照射形成光亮面和遮荫面的强烈反差，给人以钟楼内的圆柱相当沉重的假象。
大教堂、洗礼堂和钟楼之间形成了视觉上的连续性。
传说1590年，出生在比萨城的意大利物理学家伽利略，曾在比萨斜塔上做自由落体实验，将两个重量不同的球体从相同的高度同时扔下，结果两个铅球几乎同时落地，由此发现了自由落体定律，推翻了此前亚里士多德认为的重的物体会先到达地面，落体的速度同它的质量成正比的观点。
但是，伽利略的两个球体并非像传说中的一样一起落下，即使重力加速度不变，两个球体受到空气阻力影响，是不会一起落下的。这也就是为什么鹅毛和铅球不会一起降落的原因。由于受到空气阻力，两个球体不能看作自由落体。但是伽利略的实验理论是正确的，在真空中，无论多重的物体，都遵循自由落体定律。
1987年4月，国际古迹遗产理事会提名意大利比萨城的奇迹广场（包括大教堂、洗礼堂、比萨斜塔和墓园）为世界遗产，认为其满足以下四个获选条件：
代表了人类创造精神的杰作（奇迹广场上的四座建筑堪称建筑杰作，它们在空间上的设计从艺术上角度是独一无二）；
通过建筑或技术、有纪念意义的艺术品、城市规划或景观设计，展现了在一段时期内或在一个文化区域中进行的有重要意义的人文价值的交流（奇迹广场的建筑深刻影响了从11世纪到1284年的建筑发展和14世纪的艺术发展）；
突出地代表了某一类建筑或技术的，并且展示了人类历史上的某一段或几段非常重要的时期（奇迹广场包含了几座典型的宗教建筑，各自拥有不同的宗教作用，共同组成了一个中世纪基督教建筑的典范）；
直接或明确地同某些具有突出的、普世的价值的事件、现实的传统、思想、信仰、文化作品或文艺作品相联系（19岁的伽利略在比萨大教堂内观察铜制吊灯的摆动，从而发现了小摆动的等时性定律，这是他动力学研究的序幕。在比萨斜塔顶的实验使他得出了自由落体定律。奇迹广场上的两座建筑直接同物理学的历史相联系）。
1987年12月，联合国教育科学文化组织世界遗产委员会第11次会议决定将其收入世界遗产名录，编号第395号。
