Après expertises, les travaux commencent par excavation des fondations, coulage de centaines de tonnes de béton pour la stabiliser, cerclage des anneaux, drainage du sol pour abaisser le niveau de la nappe phréatique au-dessus de laquelle elle est érigée. En septembre 1995, un système cryogénique installé pour refroidir le sol s’avère faire pencher la tour encore plus. En 1998, une armature interne en acier est posée et l'année suivante, 60 m3 d’argile sont extraits sous la tour cependant que les fondations sont renforcées par des piliers de 15 m de profondeur.
Les travaux, achevés en 2001, ont permis de surprenantes découvertes. La tour a été construite sur les restes d’une opulente villa patricienne du IIIe siècle, elle-même érigée sur une nécropole romaine surplombant un cimetière étrusque. Deux corps momifiés et des fragments de mosaïque romaine ont été trouvés.
D’un montant de 28 millions d’euros, les travaux ont permis de redresser la tour et de la stabiliser pour au moins une centaine d’années ; cependant, d’autres affirment qu’elle restera encore au moins 300 ans debout. Aujourd’hui elle est considérée comme stabilisée ; depuis l’été 2004, elle n’a connu que des oscillations physiologiques de faible amplitude, selon le collectif scientifique responsable de la consolidation de l’édifice.
Les visites ont pu reprendre depuis le 15 décembre 2001, mais certains scientifiques craignent que cela n’écourte la vie de cette construction, qui reste assez fragile. De prochains travaux vont permettre d’alléger la tour en la débarrassant des aménagements obstruant les étages ; il redeviendra alors possible de voir le ciel de l’intérieur comme dans un gigantesque télescope, comme cela était possible avant 1935.
En août 2013, après quelques années de stabilité, la tour a commencé à se redresser sans qu’aucun travail supplémentaire n’ait été effectué. En Novembre 2018, selon l'Université de Pise, la tour s'est redressée de 4 centimètres.