比薩斜塔在最初的設計中本應是垂直的建築，但是在建造初期就開始偏離了正確位置。 比薩斜塔之所以會傾斜，是由於它地基下面土層的特殊性造成的。比薩斜塔下的有好幾層不同材質的土層，各種軟質粉土的沉澱物和非常軟的粘土相間形成，而在深約一米的地方則是地下水層。這個結論是在對地基土層成份進行觀測後得出的。最新的挖掘表明，鐘樓建造在了古代的海岸邊緣，因此土質在建造時便已經沙化和下沉。 比薩斜塔的垂直剖面圖根據現有的文字記載，比薩斜塔在幾個世紀以來的傾斜是緩慢的，它和它地基下方的土層實際上達到了某種程度上的平行。
