Nguyên nhân đầu tiên được cho là do chính đặc điểm địa hình của thành phố Pisa. Tên gọi của thành phố này có từ khoảng 600 năm trước công nguyên, và trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là “vùng đất lầy lội”. Bởi vậy, đất ở vùng này chủ yếu là bùn, cát, đất sét... dẫn tới công trình xây dựng trên đó có khả năng nghiêng cao hơn các vùng khác.
Minh chứng cho thấy, nhiều tòa nhà khác tại Pisa cũng bị nghiêng do được xây trên nền đất mềm, trong đó có nhà thờ San Nicola từ thế kỷ 12 nằm ở phía nam của tháp nghiêng Pisa và nhà thờ San Michele degli Scalzi ở phía đông tòa tháp.
Thứ hai, ngay từ khi khởi công, móng của toà tháp được làm từ hỗn hợp đất sét đặc, vỏ sò và cát. Thành phần móng như vậy cùng với độ sâu chỉ khoảng 3m không đủ đỡ trọng lượng của toà tháp. Chưa kể đến các yếu tố con người: thiếu sót trong khâu thiết kế, xây dựng, quản lý dẫn đến tháp bị nghiêng.
Lại nói về lịch sử tháp Pisa, chiến tranh giữa Pisa và một thành phố khác là Genoa nổ ra không lâu sau khi thi công, khiến công trình bị dang dở suốt gần một thế kỷ. Tới khi nối lại việc xây dựng tháp, Kỹ sư trưởng công trình là Giovanni di Simone đã cho gia cố thêm nền móng của phần bị nghiêng. Tuy nhiên, do trọng lượng mà phần móng phải “gánh” thêm, công trình thậm chí còn nghiêng hơn trước.