L’intensa attività armatoriale, mercantile e finanziaria svolta dai pisani, in progressivo incremento a partire dall’XI secolo in avanti, determinò da parte loro la necessità di garantirsi approdi sicuri lungo le coste toscane così da garantirsi attracchi d’emergenza o in caso di necessità di approvvigionamenti, ma anche con la prospettiva di stabilire un controllo sempre maggiore sul litorale toscano e da preservarlo dagli attacchi dei saraceni. Avviarono dunque una serie di lavori tesi alla fortificazione di alcuni luoghi strategici come Vada e Livorno, e poi Nugola e Rosignano Marittimo. In accordo con l’impegno del papato teso a contrastare con ogni mezzo l’avanzata islamica, si eressero poi due monasteri, S.Felice di Vada e San Giustiniano di Falesia, entrambi della prima metà del secolo XI. In particolare, un ruolo decisivo venne svolto dai monaci di quest’ultimo convento, i quali presero parte nell’edificazione del vicino castello di Piombino, che divenne ben presto un altro importante porto, cruciale per le rotte di navigazione per l’Isola d’Elba e le altre isole più piccole prospicienti, ma soprattutto per i traffici con la Sardegna.

Dal 1157 il Comune di Pisa decise la fortificazione del Porto Pisano, il più importante della città. Le sue strutture subirono progressive modificazioni e distruzioni: nel 1290 fu infatti raso al suolo completamente, ed ulteriori devastazioni furono compiute almeno fino al 1362, quando passò sotto il dominio fiorentino. Nel 1156 si era avviata l'edificazione di una torre sullo scoglio della Meloria, che fu terminata l'anno successivo. Nell'estate del 1157 si eressero due torri nel Portus Magnalis, come si chiamava una parte di Porto Pisano. La prima ad essere completata, nel novembre del 1162, fu la torre dalla parte di Livorno; e l'anno successivo fu ultimata anche l'altra, dalla parte della Frasca. Entrambe erano dette turres de Magnali. Nel 1174 si pose mano all'edificazione del Magnum Fondacum, cioè del magazzino per il ricovero merci, che era fortificato. Tutti questi lavori di edilizia militare facevano parte di un progetto generale di fortificazione e creazione di strutture portuali, progetto parallelo alla fortificazione della città di Pisa. In esso si può comprendere anche la costruzione del Fanale del porto di Livorno, di cui non si conosce l'anno esatto e di una quarta torre, detta turris nova de Formice (la torre della Formica) in costruzione, pare, nel 1285. La Torre della Formica rappresenta forse l'esempio più significativo dell'importanza delle fortificazioni costiere per il sistema portuale pisano. Si trattava infatti di una fortificazione posta nel Porto Pisano, in una località strategica dove il console del mare era tenuto a mantenere dei pali per consentire alle navi di accostarvisi ed ormeggiare. Infatti le galere non navigavano isolate, ma in carovana. Quando la carovana arrivava, nel porto non c’era posto per tutte, perciò alcune dovevano sostare in rada, presumibilmente attraccate in questo punto.

L'assetto del porto mutò in seguito alle distruzioni operate dai Genovesi nel 1285 e nel 1290, con l'abbattimento del Fanale e delle quattro torri del Porto Pisano. In seguito, però, il Fanale e tre torri furono ricostruite nel giro di pochi anni. Il primo nel 1310 era già funzionante e le torri sono presenti fin dal 1297, nominate: la torre Vermiglia (turris Vermilia) eretta sulle rovine della torre della Formica, la torre del Magnale (turris Magnalis) e la Torrazza (Turrassa). Ciascuna torre era fornita di castellani e sergenti.

La Torre di Foce d'Arno
Il fiume Arno, via di accesso della città al mare, era sempre stato difficile alla navigazione per la presenza di banchi di sabbia. Soprattutto il passaggio della foce era particolarmente difficile. Basti pensare che nel 1113 le galee pisane, in partenza per la spedizione delle Baleari, per evitare di incagliarsi dovettero essere scaricate prima dell'uscita a mare per essere ricaricate dopo la foce.
Secondo gli statuti dell'Ordine del Mare del 1304, i guardiani della torre di foce d'Arno avevano anche il compito di consigliare ai marinai che volessero uscire se era il momento opportuno o no di farlo. Inoltre una barca, che stazionava presso quella torre, aveva il compito di aiutare i ligna e le chiatte a entrare nella foce. Poi, prima di salpare per risalire il fiume fino in città, i barcaroli dovevano controllare se sulla Torre di Foce d'Arno era issata una vela, nel qual caso non dovevano muoversi, in quanto ciò significava che l'accesso era pericoloso. Nel 1327 la dotazione della torre comprendeva anche 60 "signales" per evidenziare il canale d'ingresso, alcune dozzine di lanterne per le segnalazioni notturne, tutto l'occorrente per alzare il pennone della vela sull'albero in cima alla torre, filo e aghi per rattoppare la vela.
Quanto poi alle imbarcazioni più pesanti e di stazza maggiore, non potevano raggiungere Pisa per via d'acqua e dovevano sbarcare a Porto Pisano.