La Torre di Vada risale nel suo impianto originale al 1279.
Venne edificata dal Comune di Pisa, nel cui sistema portuale Vada era saldamente inserita, con la duplice funzione di vigilanza e di faro di supporto ai naviganti in un tratto di mare particolarmente insidioso.
Nell'avanzato XV secolo, in una situazione politica e militare assai mutata, al centro di un territorio ormai spopolato e paludoso, l'antico fortilizio venne ristrutturato dal governo Fiorentino ed entrò a far parte dell'ampio ed efficiente sistema di difesa costiero del nuovo stato regionale.

Le torri, restaurate o di nuova costruzione, dovevano proteggere la desolata costa toscana dalle rapide e frequenti incursioni Saracene. A questo compito si aggiunse poi, dopo la costruzione del porto di Livorno, la protezione contro lo sbarco di contrabbandieri che volevano sottrarsi al controllo doganale e quella di presidio sanitario, contro il dilagare delle nuove malattie che aveva fatto seguito alla scoperta e ai commerci con il nuovo mondo. Controllando l'intera costa toscana consentivano infine un controllo sui convogli in arrivo ed in partenza, evitando al governo mediceo le spese di allestimento di una flotta.
Il vecchio edificio medievale venne così inglobato in una nuova costruzione, concepita come un enorme contrafforte avvolgente: dalla piccola e semplice torre quadrangolare a pareti verticali si pervenne alla complessa struttura a base troncopiramidale che si può ammirare ancora oggi.

Il nuovo edificio rispondeva alle moderne esigenze militari: i forti spessori in basso potevano meglio resistere al fuoco dell'artiglieria, mentre il corpo in alto fortemente aggettante sul cornicione aumentava la superficie destinata alla Batteria posta sulla sommità della Torre.
 
La Torre di Vada ebbe il compito di vigilare un tratto di mare assai esteso. Le due torri limitrofe erano a nord quella di Castiglioncello (Torre Medicea ) e a sud quella di Bocca di Cecina. Con entrambe, così come con il Castello di Rosignano Marittimo, la cui rifortificazione risale agli stessi anni, era assicurato il contatto visivo in modo tale da permettere le necessarie segnalazioni in caso di pericolo. La notevole distanza tra le tre torri assicurava tuttavia solo un controllo generale, ma non la vigilanza particolare delle varie anse del litorale o di punti di particolare importanza come la foce del Fine. A questo compito erano destinati i Cavalleggeri che percorrevano la costa tra torre e torre, lungo un percorso costiero che in alcuni tratti ancora ne porta il nome.
 
La descrizione che della Torre di Vada dà l'ingegnere Odoardo Warren, incaricato nel decennio 1739-49 dai Lorena di una supervisione dei forti costieri, mostra che la Torre era circondata da un fossato probabilmente comunicante con il mare, superato da un ponte levatoio (ricalcato oggi da una passerella in muratura). Warren racconta come la torre fosse al centro di vaste e malsane paludi e che 'le truppe che vi vengono mantenute hanno l'aria di essere sempre malate'.

Annessa alla torre vi era la dipendenza assai ampia, costituita da una serie di locali che giravano intorno ad un cortile. Vi erano stanze destinate al castellano, gli alloggi della guarnigione, il forno, la stalla ed una cappella. Al contrario la torre era assai angusta, nonostante la sua mole, ed aveva spazi appena sufficienti al presidio militare, al guardiano del faro e a tenervi qualche pezzo di artiglieria.
Perduta nel corso dell'800 ogni importanza strategica, la Torre ha però continuato a funzionare come faro fino ad epoca molto recente. Fu proprio per installare un faro di maggiore portata che nel 1948-49 venne demolito l'originale tetto a padiglione, oggi ricostruito dopo un'accurata opera di restauro.