El 9 de agosto de 1173 se empezaron las obras de fundación de la torre campanaria de la Catedral de Santa María. Se trata de un campanario independiente de la iglesia, de unos 56 metros de alto y 14.453 toneladas de peso. Muy probablemente las obras para su edificación se pusieron en marcha bajo la dirección del arquitecto Diotisalvi, el mismo que había iniciado la construcción del vecino Baptisterio. Esta primera fase de las obras fue interrumpida a la altura del tercer anillo a causa del hundimiento del terreno sobre el que surge la base de la torre. La maleabilidad del terreno, y también el hecho de que antiguamente en el área de la torre fluía un recodo del río Auser, que hizo el suelo inestable, son los motivos de la inclinación de la torre, y de su fama.
Estos problemas de estabilidad impidieron continuar con las obras durante mucho tiempo. Estas se retomaron 1275 bajo la dirección de Giovanni di Simone y de Giovanni Pisano, añadiendo a los tres anillos de la construcción original otras tres plantas. Con el intento de enderezar la torre, las tres plantas añadidas tienden a curvarse en sentido opuesto a la inclinación.
La torre fue completada a mediados del siglo siguiente, con la añadidura de la celda campanaria.
La estructura del monumento es muy particular, porque se compone de dos cilindros concéntricos conectados entre sí por una escalera de caracol interior que conduce hasta la celda superior. En el cilindro exterior se abren seis plantas con una pequeña galería marcadas por columnas sobre las cuales se apoyan pequeños arcos de medio punto. En cambio, la jofaina en la base de la torre fue añadida en el siglo XIX.
La inclinación actual del edificio es de 5° respecto al eje vertical. La torre se mantiene en equilibrio porque la vertical que pasa por su baricentro cae en el interior de la base de apoyo.