Durante la prima metà del XIII secolo le organizzazioni popolari si danno una propria rappresentanza politica eleggendo il capitano del popolo e la magistratura degli anziani, destinata a diventare il più importante organo deliberativo comunale. Sul finire del secolo Pisa subisce una crisi politica a causa del rafforzarsi, per mare, di Genova, Venezia e Barcellona e della egemonia di Firenze: sconfitti per mare alla Meloria dai genovesi (1284), i Pisani sono costretti più tardi a cedere i propri possedimenti in Sardegna e in Corsica mentre le vittorie guelfe li privano, sulla terraferma, di territori e castelli.
Nel XIV secolo, a brevi momenti durante i quali Pisa torna ad assumere un proprio ruolo politico (discese di Enrico VII e di Carlo IV), si alternano lunghi periodi durante i quali le lotte interne sono determinate soprattutto dalla diversa politica che si intende seguire nei confronti di Firenze: si succedono più o meno fortunati governi signorili (Uguccione della Faggiola, Castruccio Castracane, i Donoratico, Giovanni dell'Agriello, Pietro Gambacorta, Iacopo e Gherardo da Appiano). Nel 1406, dopo che Gherardo da Appiano aveva venduto a Gian Galeazzo Visconti la città, Firenze, che da tempo mirava al possesso di Pisa e di Porto Pisano, occupa la città riducendola sotto il proprio dominio e ponendo fine al periodo della "prima libertà".
Soprattutto gli interessi economici pisani vengono a soffrire dell'assoggettamento politico della città a Firenze e, nonostante alcuni favorevoli provvedimenti di Lorenzo de' Medici, si apre per Pisa una lungo periodo di decadenza. Sul piano interno la vita politica cittadina gode di scarsa autonomia: sostituiti gli anziani con i priori, Firenze esercita il suo potere dapprima mediante i Dieci di Pisa, poi, dal 1426, mediante i consoli del mare.
Nel 1494 la discesa di Carlo VIII offre ai Pisani l'opportunità di riacquistare la propria autonomia politica. Ma il periodo della seconda libertà si chiude nel 1509 con il definitivo assoggettamento a Firenze.