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。然而1838年的一次工程導致了比薩斜塔突然加速傾斜，人們不得不採取緊急維護措施。當時建築師Alessandro della Gherardesca在原本密封的斜塔地基周圍進行了挖掘，以探究地基的形態，揭示圓柱柱礎和地基臺階是否與設想的相同。這一行為使得斜塔失去了原有的平衡，地基開始開裂，最嚴重的是發生了地下水湧入的現象。這次工程後的勘測結果表明傾斜加劇了20釐米，而此前267年的傾斜總和不過5釐米。

斜塔的拯救，歷經的很多的方案，但都未見效。最終拯救比薩斜塔的，是一項看似簡單的新技術——地基應力解除法。其原理是，在斜塔傾斜的反方向（北側）塔基下面掏土，利用地基的沉降，使塔體的重心後移，從而減小傾斜幅度。該方法於1962 年，由義大利工程師Terracina針對比薩斜塔的傾斜惡化問題提出，當時稱為“掏土法”，由於顯得不夠深奧而遭長期擱置，直到該法在墨西哥城主教堂的糾偏中成功應用，又被重新得到認識和採納。