La construction de la tour commence en août 1173 et dure deux siècles. Le monument est bâti sur une plaine alluviale composée de marne, dont la déformabilité est à la source de l'inclinaison progressive du bâtiment.
La tour était originellement destinée à recevoir les cloches de la cathédrale qui la jouxte.
En 1178, le troisième étage de la tour est à peine terminé que l'édifice commence déjà à pencher. Les quatre étages suivants sont alors construits en diagonale, pour essayer de rééquilibrer la tour. Les travaux s'interrompent de 1301 à 1350 et le dernier étage est construit en 1372.
En 1838, un bassin est creusé à la base de la tour pour excaver ses fondations.
En janvier 1990, le monument ferme. Les travaux de restauration et de stabilisation commencent en 1993. D'un coût total de 27 millions d'euros, la consolidation consiste à assécher les nappes phréatiques environnantes, à conforter le corps de la tour en la cerclant par des anneaux, à raffermir le sol et à renforcer la fondation du bâtiment.
La Tour ouvre de nouveau ses portes au public en décembre 2001.
La tour est haute de 54,5 m, pour un diamètre extérieur de 15,5 m et un diamètre intérieur de 7,4 m, se réduisant à 4,2 m au sommet. D'un poids de 14 453 t, elle a la forme d'un tube creux composé de deux cylindres concentriques.
La porte d'entrée est ornée de sculptures animales de style roman.
Un escalier en colimaçon de 293 marches permet de grimper les huit étages et d'atteindre le sommet. Chaque étage est soutenu par des colonnes en marbre blanc de Carrare et par de nombreuses sculptures et statues.
L'édifice est aujourd'hui incliné de près de 4 degrés sur la verticale et penche vers le sud.
L'inclinaison de la tour a progressivement augmenté au fil des siècles. En 1350, elle était de 1,5°, pour finir par atteindre 4° aujourd'hui.
L'effondrement éventuel causerait des dégâts irrémédiables à la Piazza dei Miracoli et à toute la ville de Pise.
Sur le terrain utilisé pour la construction de la tour se dressait auparavant une tombe étrusque, puis une villa patricienne du 3e siècle.
Deux momies et quelques ustensiles de cuisine sont retrouvés dans les fondations lors des travaux de restauration de l'édifice, vers le milieu des années 1990. Ces travaux sont censés permettre à la tour de tenir debout pour 300 années supplémentaires. Néanmoins, les spécialistes estiment qu'il faut alléger le bâtiment. Des projets allant dans ce sens sont en cours d'étude.
Selon une légende locale, Galilée aurait procédé - vers la fin du 16e siècle - à des expériences destinées à calculer la vitesse de chute de différents corps du haut de la tour. Ses conclusions différaient de celles d'Aristote qui avait estimé que la vitesse de chute était fonction du poids du corps en question.
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