ภาพวาดพระธาตุพนมองค์เดิม รูปแบบศิลปกรรมที่บูรณะโดยเจ้าราชครูหลวงโพนเสม็ดเมื่อ พ.ศ. 2233 บันทึกโดยคณะสำรวจแม่น้ำโขงภายใต้การนำของฟรานซิส การ์นิเยร์ นายทหารเรือชาวฝรั่งเศส เมื่อ พ.ศ. 2411

ตามตำนานพระธาตุพนม ในอุรังคนิทานกล่าวว่า สมัยหนึ่งในปัจฉิมโพธิกาล พระพุทธเจ้า พร้อมทั้งพระอานนท์ ได้เสด็จมาทางทิศตะวันออก โดยทางอากาศ ได้มาลงที่ดอนกอนเนา แล้วเสด็จไปหนองคันแทเสื้อน้ำ (เวียงจันทน์) ได้พยากรณ์ไว้ว่า ในอนาคตจะเกิดบ้านเมืองใหญ่ เป็นที่ประดิษฐานพระพุทธศาสนา จากนั้นได้เสด็จไปตามลำดับ ได้ทรงประทานรอยพระพุทธบาทไว้ที่ โพนฉัน (พระบาทโพนฉัน) อยู่ตรงข้ามอำเภอโพนพิสัย จังหวัดหนองคาย แล้วเสด็จมาที่ พระบาทเวินปลา ซึ่งอยู่เหนือเมืองนครพนมปัจจุบัน ได้ทรงพยากรณ์ที่ตั้งเมืองมรุกขนคร (นครพนม) และได้ประทับพักแรมที่ภูกำพร้าหนึ่งคืน วันรุ่งขึ้นเสด็จข้ามแม่น้ำโขง ไปบิณฑบาตที่เมืองศรีโคตรบูรณ์ พักอยู่ที่ร่มต้นรังต้นหนึ่ง (พระธาตุอิงฮังเมืองสุวรรณเขต) แล้วกลับมาทำภัตกิจ (ฉันอาหาร) ที่ภูกำพร้าโดยทางอากาศ

พญาอินทร์ได้เสด็จมาเฝ้าและทูลถามพระพุทธองค์ ถึงเหตุที่มาประทับที่ภูกำพร้า พระพุทธองค์ได้ตรัสว่า เป็นประเพณีของพระพุทธเจ้าทั้ง 3 พระองค์ ในภัททกัลป์ที่นิพพานไปแล้ว บรรดาสาวกจะนำพระบรมสารีริกธาตุ มาบรรจุไว้ที่ภูกำพร้า พระพุทธองค์เมื่อนิพพานแล้ว พระมหากัสสปะ ผู้เป็นสาวก ก็จะนำเอาพระบรมสารีริกธาตุมาบรรจุไว้ ณ ที่นี้เช่นกัน จากนั้นพระพุทธองค์ก็ได้ทรงปรารภถึงเมืองศรีโคตบูร และมรุกขนคร แล้วเสด็จไปหนองหารหลวง ได้ทรงเทศนาโปรดพญาสุวรรณพิงคาระ และพระเทวี ประทานรอยพระพุทธบาทไว้ ณ ที่นั้น แล้วเสด็จกลับพระเชตวัน หลังจากนั้นก็เสด็จปรินิพพานที่เมืองกุสินารา

เมื่อพระพุทธองค์เสด็จปรินิพพานแล้ว มัลลกษัตริย์ทั้งหลายได้ถวายพระเพลิงพระสรีระ แต่ไม่สำเร็จ จนเมื่อพระมหากัสสปะมาถึงได้อธิษฐานว่า พระธาตุองค์ใดที่จะอัญเชิญไปประดิษฐานที่ภูกำพร้า ขอพระธาตุองค์นั้นเสด็จมาอยู่บนฝ่ามือ ดังนี้แล้ว พระอุรังคธาตุ ก็เสด็จมาอยู่บนฝ่ามือขวาของพระมหากัสสปะ ขณะนั้นไฟธาตุก็ลุกขึ้นโชติช่วง เผาพระสรีระได้เองเป็นอัศจรรย์ เมื่อถวายพระเพลิงและแจกพระบรมสารีริกธาตุเสร็จเรียบร้อยแล้ว พระมหากัสสปะพร้อมด้วยพระอรหันต์ 500 องค์ ก็ได้อัญเชิญพระอุรังคธาตุ มาทางอากาศ แล้วมาลงที่ดอยแท่น (ภูเพ็กในปัจจุบัน) จากนั้นได้ไปบิณฑบาตที่เมืองหนองหารหลวง เพื่อบอกกล่าวแก่พญาสุวรรณพิงคาระ ตำนานตอนนี้ตรงกับตำนานพระธาตุเชิงชุม และพระธาตุนารายณ์เจงเวง ซึ่งมีรายละเอียดอยู่แล้ว

เมื่อพญาทั้ง 5 ซึ่งอยู่ ณ เมืองต่าง ๆ อันได้แก่ พญานันทเสน แห่งเมืองศรีโคตบูร พญาจุลณีพรหมทัต พญาอินทปัตถนคร พญาคำแดง แห่งเมืองหนองหารน้อย และพญาสุวรรณพิงคาระ แห่งเมืองหนองหารหลวง ได้พากันปั้นดินดิบก่อแล้วเผาไฟ ตามคำแนะนำของพระมหากัสสปะ แบบพิมพ์ดินกว้างยาวเท่ากับฝ่ามือพระมหากัสสปะ

ครั้นปั้นดินเสร็จแล้วก็พากันขุดหลุมกว้าง 2 วา ลึก 2 ศอก เท่ากันทั้ง 4 ด้าน เมื่อก่อดินขึ้นเป็นรูปเตา 4 เหลี่ยม สูง 1 วา โดยพญาทั้ง 4 แล้ว พญาสุวรรณภิงคาระก็ได้ก่อส่วนบน โดยรวมยอดเข้าเป็นรูปฝาปารมีสูง 1 วา รวมความสูงทั้งสิ้น 2 วา แล้วทำประตูเตาไฟทั้ง 4 ด้าน เอาไม้จวง จันทน์ กฤษณา กระลำพัก คันธรส ชมพู นิโครธ และไม้รัง มาเป็นพื้น ทำการเผาอยู่ 3 วัน 3 คืน เมื่อสุกแล้วจึงเอาหินหมากคอยกลางโคก มาถมหลุม เมื่อสร้างอุโมงค์ดังกล่าวเสร็จแล้ว พญาทั้ง 5 ก็ได้บริจาคของมีค่าบรรจุไว้ในอุโมงค์เป็นพุทธบูชา

จากนั้น พระมหากัสสปะ ก็ได้อัญเชิญพระอุรังคธาตุ เข้าบรรจุภายในที่อันสมควร แล้วให้ปิดประตูอุโมงค์ไว้ทั้ง 4 ด้าน โดยสร้างประตูด้วยไม้ประดู่ ใส่ดาลปิดไว้ทั้ง 4 ด้าน แล้วให้คนไปนำเอาเสาศิลาจากเมืองกุสินารา 1 ต้น มาฝังไว้ที่มุมเหนือตะวันออก แปลงรูปอัศมุขี (ยักษิณีหน้าเป็นม้า) ไว้โคนต้นเพื่อเป็นหลักชัยมงคลแก่บ้านเมืองในชมพูทวีป นำเอาเสาศิลาจากเมืองพาราณสี 1 ต้น ฝังไว้มุมใต้ตะวันออก แปลงรูปอัศมุขีไว้โคนต้น เพื่อหมายมงคลแก่โลก นำเอาเสาศิลาจากเมืองตักศิลา 1 ต้น ฝังไว้มุมเหนือตะวันตก พญาสุวรรณพิงคาระให้สร้างรูปม้าอาชาไนยไว้ตัวหนึ่ง หันหน้าไปทางทิศเหนือ เพื่อแสดงว่าพระบรมธาตุเสด็จออกมาทางทิศทางนั้น และพระพุทธศาสนาจักเจริญรุ่งเรืองจากเหนือเจือมาใต้ พระมหากัสสปะให้สร้างม้าพลาหกไว้ตัวหนึ่ง คู่กัน หันหน้าไปทางทิศเหนือ เพื่อเป็นปริศนาว่า พญาศรีโคตบูรจักได้สถาปนาพระอุรังคธาตุไว้ตราบเท่า 5,000 พระวัสสา เกิดทางใต้และขึ้นไปทางเหนือ เสาอินทขีล ศิลาทั้ง 4 ต้น ยังปรากฏอยู่ 2 ต้น ทางทิศตะวันออก ส่วนอีก 2 ต้น ได้ก่อหอระฆังหุ้มไว้ ส่วนม้าศิลาทั้ง 2 ตัว ก็ยังปรากฏอยู่ถึงปัจจุบัน

พระธาตุพนมได้รับการบูรณปฏิสังขรณ์มาตามลำดับ การบูรณะครั้งแรกและครั้งที่สอง ไม่ได้บันทึกปีที่บูรณะไว้ การบูรณะครั้งที่สามเมื่อปี พ.ศ. 2157

• พ.ศ. 2223-2225 และเป็นรูปแบบที่นิยมในอีสาน
• พ.ศ. 2233 พระครูโพนเสม็ด (ญาคูขี้หอม) ปฏิสังขรณ์พระธาตุให้สูงขึ้น
• พ.ศ. 2483 รัฐบาลได้บูรณะให้สูงขึ้น
• พ.ศ. 2518 องค์พระธาตุพนมชำรุดล้มลง ทางราชการได้ดำเนินการก่อสร้างขึ้นใหม่ ให้คงสภาพเดิม
• พ.ศ. 2522 การบูรณะโดยภาครัฐและเอกชน

เมื่อปี พ.ศ. 2485 วัดพระธาตุพนมฯ ได้รับการยกฐานะเป็น พระอารามหลวงชั้นเอก ชนิดวรมหาวิหาร

ในวันที่ 11 สิงหาคม พ.ศ. 2518 เวลา 19.38 น. ด้วยเหตุที่มีฝนตกพายุพัดแรงติดต่อมาหลายวันและความเก่าแก่ขององค์พระธาตุ พระธาตุพนมจึงได้ล้มทลายลงมาทั้งองค์ ประชาชนทั้งประเทศได้ร่วมบริจาคทุนทรัพย์และรัฐบาลได้ก่อสร้างองค์พระธาตุขึ้นใหม่ตามแบบเดิม การก่อสร้างนี้เสร็จสิ้นเมื่อวันที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2522 นอกจากจะบรรจุพระบรมสารีริกธาตุในองค์พระธาตุดั่งเดิมแล้ว ยังมีของมีค่ามากมายนับหมื่นชิ้นบรรจุและประดับไว้ในองค์พระธาตุอีกด้วย โดยเฉพาะฉัตรทองคำบนยอดพระธาตุ ซึ่งมีน้ำหนักมากถึง 110 กิโลกรัม

โบราณวัตถุรอบๆ องค์พระธาตุพนมเป็นของที่มีมาแต่ครั้งสมัยศรีโคตบูรถึงล้านช้างและสมัยอยุธยา โดยเฉพาะสมัยศรีโคตบูรนั้นได้แก่ หลักศิลาและเสมาหินซึ่งปักอยู่ตามทิศต่างๆ ที่เรียกกันว่า เสาอิทขีลซึ่งจะมีสัตว์ชื่อ อัสมุขี อัสมุขี แปลว่า อัสส = ยักษ์ มุข = หน้า สัตว์ที่รูปร่างเป็นม้ามีหน้าเป็นยักษ์