明洪武十七年（1384），明太祖朱元璋下令在全国各城市兴建钟楼，以镇天下。西安钟楼初建时原址在今西安大街广济街迎祥观，与鼓楼东西对峙。当时此地与南北城门正对，是城中心之所在。后扩建西安城，随着城中心的东移，钟楼的位置就与中心偏西，故明神宗万历十年（1582）在陕西巡抚龚懋贤主持下，命咸宁、长安二县县令将其迁建于现址。迁建时“楼惟筑基外，一无改创”。钟楼落成后，龚懋贤写了《钟楼歌》刊石嵌于钟楼内。以后清乾隆五年（1740），楼又经巡抚张楷重修，仍按明初年的原结构修建，唯将原室内悬挂的唐代“景云钟”移出室外，以使报时之声远扬。此外，楼上奉祀文昌帝君。钟楼的命名，也因每天清晨击钟报时，故称之。 　
钟楼是一座重檐三滴水四角攒尖木结构建筑，面积1377平方米。建筑基座为正方形，高8.6米，宽35.5米，用青砖、白灰砌筑而成，四面正中各有高、宽6米的券形门洞，与四条大街相互惯穿。钟楼从地面至金顶通高36米，基座上面有四面空透的圆柱回廊，楼分两层，重檐三层，屋顶覆以绿琉璃瓦，楼体为木质结构。由砖台阶踏步上到砖基座大平台而进入一层大厅，面阔7间，进深3间，大厅四面有门，周为平台，顶有方格彩画藻井。由第一层大厅内东南角扶梯，可盘旋登上四面有木隔扇门和直通外面回廊的二层大厅。二层梁架结构，采取砌上明造，用通柱，攒尖顶采用抹角梁和井口枋，梁柱节点有宋元做法痕迹。 　　
整个建筑通体彩绘，楼内贴金彩绘，画梁雕栋。四面漆红大门，各层门扉还有64幅精美的木雕故事，有“木兰从军”、“嫦娥奔月”、“西厢听琴”、“伯乐相马”、“柳毅传书”、“八仙过海”等，构图优美，雕工精细，有很高的艺术价值。楼翼角飞翘，下悬铎铃。楼顶端琉璃莲花宝座上置有6米高的圆形鎏金宝顶，更显庄严和富丽堂皇，显示了明代建筑艺术的独特风格。 　　钟楼在国民党反动派统治时期，曾成为拘押进步人士和革命青年的临时牢狱，楼上驻扎军队。鎏金宝顶的铜叶被人揭去盗卖，楼体累遭破坏。1953年至1958年，国家对钟楼进行了大规模的全面维修，加固了楼的台基座，拆换了楼梯、地板和部分柱子，增添了栏杆，翻修了全部门窗。楼的内外进行粉刷油漆，并按原样装置了鎏金顶和增加了避雷设施。1980年以后，又进行了多次维修。1996年西安市为进一步开发，利用文物资源，促进文化事业的发展，决定仿制唐景云钟。唐景云钟铸于唐景云二年，原为唐景龙观所用，唐睿宗李旦亲自为其撰书铭文，明初移至钟楼用以报时。该钟现为国家级文物，现藏于西安碑林。西安市文物管理局多次走访有关单位，商讨仿制事宜。仿制的景云钟外观与原钟近似，通高2.45米，重6.5吨，钟裙外径 1.65米，纹饰、铭文酷似原钟，音质嘹亮雄浑，可与原钟媲美。经多方努力，1997年1月30日，沉寂了数百年的晨钟暮鼓再次在古城响起。仿制的景云钟现挂于楼基座的西北角。 　　
1956年8月6日，陕西省人民委员会公布钟楼为省级文物保护单位。1996年11月20日国务院公布钟楼为全国重点文物保护单位。同时公布保护范围：其重点保护区为钟楼基座四周边内；一般保护区为由重点保护区外延36米；建设控制地带为由一般保护区再外延72米。