La construction de l’édifice commence le 9 août 1173, une dizaine d’années après le début des travaux de la cathédrale, et s’étale sur deux siècles. Dès la fin de l’ajout du troisième étage, vers 1178, la tour avait commencé à pencher et la construction est interrompue pendant 90 ans.

À partir de 1272, les quatre étages supérieurs sont donc construits en diagonale pour compenser l’inclinaison. La construction s’interrompt alors à nouveau de 1301 à 1350 et ce n’est qu’en 1372 que le dernier étage des cloches, de diamètre moins important, est achevé.
La tour s'est mise à pencher quelques années seulement après le début de sa construction. Implantée sur un site particulièrement ingrat, la plaine alluviale fluvio-marine de l'embouchure de l'Arno, la tour subit un affaissement en raison de tassements différentiels et penche d'autant plus qu'il n'y a pas de fondations. En la regardant de l'est ou de l'ouest, « on voit qu'elle penche moins en haut qu'en bas, car son aplomb a visiblement été progressivement corrigé au cours de son édification : ses constructeurs successifs ont sans doute rapidement compris6 que le sous-sol du site n'était pas stable. »