Walaupun rencana semula dibangun secara vertikal, menara itu mulai miring ke arah tenggara segera setelah dilakukan konstruksi di tahun 1173, dikarenakan pondasi yang tak sempurna.

Tinggi dari menara tersebut adalah 55,86 km dari permukaan tanah di sisi terendah, dan 56,70 m di sisi yang tertinggi. Lebar alas bangunan itu adalah 4,09 m dan lebar puncaknya adalah 2,48 m. Berat menara ini diperkirakan 14,500 ton dan memiliki 294 anak tangga.

Konstruksi dari Menara Pisa dibangun dalam tiga tahap, yang memakan waktu sekitar 200 tahun. Konstruksi marmer putih di lantai pertama dimulai pada tanggal 9 Agustus 1173, pada masa kejayaan militer dan kemakmuran Italia. Lantai pertama ini dikelilingi oleh beberapa pilar dan walaupun posisinya miring, namun tetap tahan selama berabad-abad.

Ada kontroversi seputar identitas dari arsitek yang membangun Menara Miring Pisa. Selama bertahun-tahun, desain tersebut diyakini dibuat oleh Guglielmo dan Bonanno Pisano, artis lokal kenamaan di abad ke-12, yang terkenal dengan karya perunggunya, khususnya pada karyanya Pisa Duomo.

Bonanno Pisano meninggalkan Pisa di tahun 1185 dan pindah ke Monreale, Sicilia, namun kemudian kembali lagi dan meninggal di tanah kelahirannya itu. Makamnya ditemukan di dasar tower di tahun 1820.

Menara itu pertama kali miring setelah lantai ketiga dibangun di tahun 1178, dikarenakan amblasnya pondasi sedalam tiga meter, akibat pergerakan tanah. Ini berarti bahwa desain dari menara tersebut telah cacat sejak pada awalnya.

Konstruksi dihentikan sementara selama hampir seabad lamanya, karena para warga Pisa hampir terlibat peperangan dengan Genoa, Lucca dan Florence. Selama masa 'istirahat' ini, struktur tanah di bawahnya telah kembali stabil. Dan di tahun 1198, dipasang jam untuk sementara pada bangunan yang masih belum tuntas itu.

Di tahun 1272, bangunan itu dilanjutkan kembali oleh Giovanni di Simone, arsitek dari Camposanto. Lantai keempat dibangun untuk mengimbangi kemiringan dari menara ini. Pembangunan kembali dihentikan di tahun 1284, saat Pisa ditaklukan oleh Genoa dalam Pertempuran Meloria.

Pembangunan menara lonceng ini tak selesai terhenti hingga 1372. Setelah itu, Tommaso di Andrea Pisano berhasil menyelesaikan elemen-elemen Gothic dari menara tersebut, dengan memberikan sentuhan gaya Roma. Terdapat tujuh lonceng pada menara tersebut, yang masing-masing mewakili not pada nada. Lonceng yang terbesar dipasang pada tahun 1655.