Tháp nước Hàng Đậu có tên ban đầu là Đài Đầu, Bốt Hàng Đậu. Cùng với tháp nước Đồn Thủy, tháp nước này đóng vai trò là nơi cấp nước cho thành phố những năm Pháp thuộc, sau này trở thành một di tích lịch sử của Thủ đô Hà Nội.
Tháp được xây bằng đá hộc, hình trụ tròn, đường kính 19m, cao 3 tầng, mái có hình chóp nón, ở giữa có cột thu lôi, được xem là công trình văn minh quan trọng nhất lúc bấy giờ.
Vào ngày 19 tháng 7 năm 1888, Tổng thống Pháp Sadi Carnot đã ký sắc lệnh thành lập thành phố Hà Nội và từ đó, cả thành phố trở thành xứ Bảo hộ. Trước khi tháp nước Hàng Đậu được xây dựng, người Hà Nội chủ yếu dùng nước giếng đào. Những năm 1894, nhiều đợt dịch bệnh lớn liên quan đến ô nhiễm nước đã xảy ra làm ảnh hưởng tới rất nhiều người dân, trong đó có cả 12 nghìn quân sĩ Pháp.
Do đó, thực dân Pháp đã thành lập một ủy ban khảo sát các nguồn nước và quyết định xây dựng nhà máy nước sạch. Dự án xây dựng tháp nước cùng với những công trình điện nước khác của thành phố đều được xây dựng chủ yếu để phục vụ cho thực dân và binh lính Pháp, còn dân ta thì bị hạn chế. Kể từ khi được xây dựng, tháp nước Hàng Đậu được coi là công trình đầu tiên đánh dấu sự thay đổi bộ mặt của thành phố Hà Nội.
Tháp nước Hàng Đậu có thiết kế giống như một pháo đài kiên cố cao ba tầng, với phần thân là hình trụ tròn và mái tôn hình chóp nón, trong đó đường kính phần thân tháp nước dài 19m và cao 21m. Tháp nước có dung tích 1250m3. Xung quanh tháp được bao quanh bởi bức tường đá đục 54 ô cửa hẹp và cao như lỗ châu mai. Bên ngoài tường cũng có những hình khối hình vòm cung và các họa tiết trang trí sắt uốn để tạo cảm giác mềm mại hơn. Phần cổng ra vào được lắp đặt hai cánh cửa theo phong cách bài trí đặc trưng của các công trình ở Pháp khi đó.
Từ năm 1960, chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa đã quyết định nâng cấp nhà máy nước Yên Phụ và thay thế công nghệ truyền dẫn nước sạch. Do đó, tháp nước Hàng Đậu không được sử dụng và bị bỏ hoang một thời gian dài. Thậm chí, tháp nước còn có thời gian từng bị đe dọa tháo dỡ để xây dựng các công trình phúc lợi khác vì vị trí đắc địa của nó. Trong nhiều năm, xung quanh chân tháp là những ki-ốt buôn bán và phải đến năm 2003 mới được trả về cảnh quan ban đầu.
Vào tháng 4 năm 2010, nhân dịp Đại lễ 1.000 năm Thăng Long – Hà Nội, tòa tháp được cải tạo toàn diện. Ngoài việc lắp đèn hắt chiếu sáng ở mặt đất, bóc lớp vữa cũ và trát lớp mới, lợp lại mái tôn, đục bỏ các lớp gạch hỏng và thay vỉa hè,… tháp nước còn được lắp đặt thêm trạm điện và hệ thống chiếu sáng. Và đến nay, tháp nước Hàng Đậu được tu sửa một lần nữa để trở thành không gian nghệ thuật.