วัดติโลกอาราม เดิมมีเพียงยอดเจดีย์ที่ก่อด้วยอิฐดินเผา โผล่พ้นน้ำขึ้นมาในช่วงฤดูแล้ง ชาวบ้านที่ทำการประมงแถบกว๊านพะเยาเรียกว่า สันธาตุกลางน้ำ เนื่องจากเห็นเป็นส่วนของพระธาตุโผล่พ้นผิวน้ำขึ้นมา บริเวณโดยรอบ มีกลุ่มพืชน้ำขึ้นปกคลุมอยู่เป็นจำนวนมาก ปี พ.ศ. 2549 ได้มีการล่องเรือสำรวจกว๊านพะเยา คณะสำรวจซึ่งนำโดยผู้ว่าราชการจังหวัดพะเยา ตัวแทนจากหอจดหมายเหตุ หอการค้าจังหวัด ได้ล่องเรือผ่านบริเวณสันธาตุกลางน้ำและเกิดความสนใจ เนื่องจากเป็นศาสนสถานเก่าแก่ที่มีมาก่อนกว๊านพะเยา ปี พ.ศ. 2550 คณะสำรวจพร้อมด้วยประธานฝ่ายสงฆ์คือพระธรรมวิมลโมลี ได้ลงเรือสำรวจพื้นที่อีกครั้ง เพื่อหาแนวทางการพัฒนาสันธาตุกลางน้ำให้เป็นแหล่งท่องเที่ยวของจังหวัด หนึ่งเดือนหลังการสำรวจพื้นที่ ผู้ว่าราชการจังหวัดพะเยา นำชาวบ้านลงพัฒนาพื้นที่บริเวณสันธาตุกลางน้ำ มีการกำจัดวัชพืช ปรับปรุงสถานที่ มีการบูรณะสิ่งปลูกสร้างให้มีความแข็งแรง เพื่อรองรับน้ำหนักของคนที่ขึ้นไปนมัสการพระธาตุ ระหว่างการบูรณะ คณะทำงาน ค้นพบแผ่นหินทราย จารึกด้วยอักษรฝักขาม เมื่อส่งแผ่นหินทรายให้ผู้เชี่ยวชาญพิสูจน์ ปรากฏว่า ข้อความที่จารึก ระบุประวัติของวัดไว้อย่างชัดเจน โดยข้อความบนแผ่นหินทรายระบุว่า วัดนี้ถูกสร้างขึ้นในรัชสมัยของพระเจ้าติโลกราช กษัตริย์แห่งอาณาจักรล้านนา สร้างขึ้นระหว่างปี พ.ศ. 2019 - 2029 เพื่อเฉลิมพระเกียรติพระเจ้าติโลกราช เนื่องจากพระองค์ทรงเป็นกษัตริย์ผู้ยิ่งใหญ่ของอาณาจักร