Iniziato nel 1173, probabilmente sotto la direzione di Bonanno Pisano, il Campanile ebbe ben presto problemi di cedimento delle fondamenta, tanto da imporre una lunga sospensione del cantiere, riaperto solo alla fine del secolo successivo sotto la direzione di Giovanni di Simone. Di grande interesse sono le sette campane bronzee fuse tra il XV e il XVIII secolo, il cui suono riproduce le tonalità della scala musicale.

La torre di Pisa è spesso associata alle prime esperienze sul moto dei gravi che Galileo Galilei vi avrebbe condotto, tra il 1590 e il 1591, alla presenza di allievi e insegnanti dello Studio di Pisa. La veridicità storica del fatto, tuttavia, appare perlomeno dubbia, anche se un'iscrizione latina, posta all'ingresso della torre, ricorda che fu dalla sommità del Campanile che Galileo condusse i celebri esperimenti sulla caduta dei gravi. «Et allora, – scrive l'allievo Vincenzo Viviani nel Racconto istorico della vita di Galileo (1654) – con gran sconcerto di tutti i filosofi, furono da esso convinte di falsità, per mezzo d'esperienze e con salde dimostrazioni e discorsi, moltissime conclusioni dell'istesso Aristotele intorno alla materia del moto, sin a quel tempo state tenute per chiarissime et indubitabili; come, tra l'altre, che la velocità de' mobili dell'istessa materia, disegualmente gravi, movendosi per un istesso mezzo, non conservano altrimenti la proporzione delle gravità loro, assegnatali da Aristotele, anzi che si muovon tutti con pari velocità, dimostrando ciò con replicate esperienze, fatte dall'altezza del Campanile di Pisa con l'intervento delli altri lettori e filosofi e di tutta la scolaresca».

La torre fu anche il luogo di un fallito esperimento di verifica da parte di Carlo Renaldini, un membro dell'Accademia del Cimento. Egli provò più volte «a pie' et a cima del campanil di Pisa», a verificare la variazione del livello del mercurio secondo l'altitudine, ma senza riuscire «a cavarne alcun frutto».