Il 9 agosto 1173 iniziarono i lavori di fondazione della torre campanaria della Cattedrale di S. Maria. Si tratta di un campanile indipendente dalla chiesa, alto circa 56 metri e pesante 14.453 tonnellate. Molto probabilmente fu sotto la direzione dell’architetto Diotisalvi, lo stesso che aveva dato inizio alla costruzione del vicino Battistero, che prese il via la sua edificazione. Questa prima fase dei lavori fu interrotta all’altezza del terzo anello a causa del cedimento del terreno su cui sorge il basamento della torre. La cedevolezza del terreno, ma anche il fatto che anticamente nell’area della torre scorresse un’ansa del fiume Auser, che ha quindi reso il terreno instabile, è infatti la causa della pendenza della torre, e della sua fama.
Questi problemi di stabilità impedirono per lungo tempo il proseguimento dei lavori.
Il cantiere riprese poi nel 1275 sotto la guida di Giovanni di Simone e di Giovanni Pisano, aggiungendo ai tre anelli della costruzione originaria altri tre piani. Nel tentativo di raddrizzare la torre, i tre piani aggiunti tendono ad incurvarsi in senso opposto alla pendenza.
La torre fu completata alla metà del secolo successivo, aggiungendo la cella campanaria.
La struttura del monumento è del tutto particolare perché costituita da due cilindri concentrici collegati tra loro da una scala a chiocciola interna che conduce fino alla cella superiore. Sul cilindro esterno si aprono sei piani a loggetta scanditi da colonne sulle quali si appoggiano archetti a tutto sesto. Il catino alla base della torre invece è un’aggiunta del secolo XIX.
L'inclinazione dell'edificio attualmente misura 5° rispetto all'asse verticale. La torre rimane in equilibrio perché la verticale che passa per il suo baricentro cade all'interno della base di appoggio.