專家們壹直在爭論比薩斜塔傾斜的原因。尤其是在14世紀，人們徘徊在兩種爭論之間，比薩斜塔是否是建造過程中不可預測、不可避免的地面沈降累積效應的結果，還是建築師故意為之。到了20世紀，隨著對比薩斜塔的測量越來越精確，各種先進設備對地基土的深入勘察以及對歷史檔案的研究，壹些事實逐漸浮出水面:比薩斜塔在最初設計時本應是壹座垂直的建築，但在建造初期就開始偏離正確的位置。
比薩斜塔之所以傾斜，是因為其地基下土層的特殊性。在比薩斜塔下，有幾層不同材質的土壤。各種軟淤泥和極軟粘土的沈積物交替形成，地下水層深達壹米左右。這壹結論是在觀察了地基土層的組成後得出的。最新的發掘表明，鐘樓建在古海岸的邊緣，所以建造時土壤已經沙化下沈。
根據現有的文字記載，幾個世紀以來，比薩斜塔壹直在緩慢傾斜，實際上已經與地基下面的土壤達到了某種程度的平衡。在第壹階段施工的第三層結束時，鐘樓向北傾斜約1/4。第二階段由於整改過度，1278的七樓向南傾斜了0.6左右，到1360建頂層鐘屋時增加到1.6。1817年，兩位英國學者克雷西和泰勒用鉛垂線測量傾斜度，當時的結果是5°。1550年喬爾喬·瓦薩裏的調查與1817年克雷西和泰勒的調查相隔267年，傾角只增加了5厘米。因此，人們並沒有對斜塔進行特別的維護。
但是1838的壹個工程導致比薩斜塔突然加速，人們不得不采取緊急維修措施。當時，建築師Alessandro della Gherardesca在原始的密封斜塔基礎周圍進行挖掘，以探索基礎的形狀，並揭示圓柱形基礎和基礎臺階是否與預期相同。這種行為讓斜塔失去了原有的平衡，地基開始開裂，最嚴重的現象是地下水湧入。這個項目之後的調查結果顯示，傾斜增加了20厘米，而之前267年的總傾斜只有5厘米。
1838的工程完工後，比薩斜塔的加速傾斜持續了數年，之後趨於穩定，並下降到每年約1mm。現在塔已經偏離“自然姿態”5米多了。