在进入20世纪之后,随着测量设备的先进化,从而对比萨斜塔的地基土层研究更加深入,很多研究证明,比萨斜塔在设计师最初的设计中,其实应该是垂直的,当时由于建造的时候,这里是沿海地带,土层当时就已经开始沙化了,因此比萨在建造初期就开始倾斜,它地基下面土层是由不同种类软质粉土的沉淀物和非常软的粘土组成,地下一米深处还有地下水层,从此,每年都开始缓慢倾斜,在历史长河中,曾相隔267年测量对比,比萨斜塔倾斜仅增加了5厘米。不过比萨斜塔像如今这么倾斜,不是完全由于土层的变化,而是在1838年,某建筑师为研究比萨斜塔地基挖掘了比萨斜塔周围的地面,导致了比萨斜塔失去了原有的平衡,突然加速倾斜,大约加剧了20厘米的倾斜,几年后又趋于平稳,这也是此塔的神奇之处,一直屹立不倒。
过去人们曾一度认为钟楼是故意被设计成倾斜的,但是事实并非如此。作为比萨大教堂的钟楼,1173年8月9日开始建造时的设计是垂直竖立的,原设计为8层,高54.8米,它独特的白色闪光的中世纪风格建筑物,即使后来没有倾斜,也将会是欧洲最值得注意的钟楼之一。比萨斜塔为什么会倾斜,专家们曾为此争论不休。尤其是在14世纪,人们在两种论调中徘徊,比萨斜塔究竟是建造过程中无法预料和避免的地面下沉累积效应的结果,还是建筑师有意而为之。
进入20世纪,随着对比萨斜塔越来越精确的测量、使用各种先进设备对地基土层进行的深入勘测,以及对历史档案的研究,一些事实逐渐浮出水面:比萨斜塔在最初的设计中本应是垂直的建筑,但是在建造初期就开始偏离了正确位置。在1178年,当钟楼兴建到第4层时发现由于地基不均匀和土层松软,导致钟楼已经倾斜偏向东南方,工程因此暂停。