钟楼的始建之年应上推至元代。元大都时期这里是万宁寺的中心阁，阁内悬钟，故称钟楼。据《析津志》载：“钟楼……至元中建，阁四阿、檐三重，悬钟于上…… ”。 明永乐年间，改造北京内城，在营缮宫阙的同时，于中心阁旧址建钟楼，所以《明一统志》载：“钟楼，明永乐十八年(1420)建。”又载：“后亟于火。” 现在的钟楼按《日下旧闻考》记载始建于乾隆十年(1745)，乾隆十二年(1747)落成。将整座建筑改为砖石结构。
钟楼为单体砖石结构，楼体建于砖石台基上。黑琉璃瓦绿剪边重檐歇山顶，通高47.95米，楼体高33米，檐下为仿木单昂单翘五踩斗拱。底座东南西北四面各有一座拱券式大门，内部东侧筑有75级石阶直达二楼。二楼四周筑有城垛，每面各有一座拱券门，门左右各有一石雕窗，四周有汉白玉石护栏，望柱高16米。
楼内原悬有永乐年间（ 1403-1424 ）铸的大铁钟，铁钟今存大钟寺古钟博物馆。后改悬有永乐年题款厚约 27 厘米的铜钟。报时的巨大铜钟，即悬于楼中央八角形木框架上。
钟楼内所悬铜钟，铸于明永乐年间铸钟厂。由于其体积庞大且极沉重，对数据测量，增加困难，故历来记载不尽相同。今人对大钟进行实测后，所得数字记载如下：钟体通高5.55米，加钟钮总高7.02米；下沿直径3.40米，顶部直径2.52米，壁原0.12米(上部)-- 0.245米(下唇)；总重量约63吨。在钟西边吊一根长2米，径约0.25米的圆木为撞钟木，木下有台阶。钟北面铸有“大明永乐吉日”字样。按其重量说，此钟为我国最重之钟。据专家介绍，如此硕大而且品质优良的青铜钟，即使在今日也很难铸成的。
相传铸造这口铜钟时，久铸不成，一个姓邓的匠人的女儿怕其父延误工期获罪，跳入治铜炉中以期感动钟神，阴助其父。其父抢救不及，只抓回一只绣花鞋。后人为她孝心所感，尊她为“铸钟娘娘”。大钟铸成后，声音宏亮，只是风雨之夕，钟声略带几分凄厉，犹如“鞋鞋”之声，相传是铸钟娘娘在索要她的绣花鞋。
敲钟报时时，铜钟声音纯厚绵长、圆润宏亮，京城内外方圆十数里均可听到。当时报时规则如下： 每晚戌正时(晚7时)撞钟报时，称“定更”。每晨寅时(早5点)再次撞钟称“亮更”。清代乾隆以前钟楼昼夜报时，昼间正午鸣钟，夜间则报五个更次。乾隆之后才改为只报晨昏二次。届时由两名更夫分别登上钟、鼓楼，并把手中的“孔明灯”遥遥对照一下，互通信号，然后各自击鼓鸣钟。击鼓时，先慢打18下，稍快打 18下，再快打18下，照样反复打两次，共计108下，即所谓“紧十八、缓十八、六遍凑成一百八”。在第二次快打的最后一下，要有一个停顿，这是告诉敲钟人作准备，随之钟声便飞扬出去。敲钟的次数和击鼓相同。在“定更”和“亮更”(或称"亮鼓")之间，每隔半个时辰还要敲钟一下，亦是报时之意。
据碑文记载：“都城内外十有余里，莫不从听。 ”这尊铜钟最后一次撞响，是在 1924年，清朝末代皇帝溥仪搬出皇宫时。自此铜钟一直沉寂无声。
