ประวัติการปฏิสังขรณ์หรือการก่อสร้างพระบรมธาตุเจดีย์ ไม่ปรากฏเป็นลายลักษณ์อักษร มีแต่คำบอกเล่าของชาววัดสืบต่อๆ กันมา ว่าการปฏิสังขรณ์หรือการสร้างพระบรมธาตุเจดีย์แห่งนี้ มีความสัมพันธ์กับการสร้างวัดโพธิ์ประทับช้าง จ.พิจิตร ในสมัยสมเด็จพระสรรเพชญ์ที่ 8 หรือ สมเด็จพระเจ้าเสือ แห่งกรุงศรีอยุธยาพระราชวงศ์บ้านพลูหลวง (พ.ศ. 2246–2251) และพระราชพงศาวดารของกรุงศรีอยุธยา ระบุว่า พระเจ้าเสือ ประสูติ ณ บ้านโพธิ์ประทับช้าง แขวงเมืองพิจิตร เมื่อครั้งพระเพทราชา (พระบิดา) พาพระมารดา (นางกุลธิดาราชธิดาของพระเจ้าเชียงใหม่) ซึ่งมีพระครรภ์แก่ตามเสด็จสมเด็จพระนารายณ์มานมัสการพระพุทธชินราช ณ เมืองพิษณุโลก เมื่อพระเจ้าเสือเสด็จขึ้นครองราชย์ ทรงระลึกถึงที่ประสูติตามคำพระมารดาตรัสเล่าจึงโปรดให้ สมุหนายกเกณฑ์ผู้คนลำเลียงสิ่งของ เช่น อิฐ ปูนขาว กาวหนัง เชือก ฯลฯ บรรทุกเรือมาก่อสร้างวัด ณ บริเวณดังกล่าว ใช้เวลาประมาณสองปีเศษ จึงแล้วเสร็จสิ้น

บ้านเกยไชย มีปรากฏชื่ออีกครั้งในสมัยพระเจ้าตากสิน เมื่อครั้งเสด็จมาปราบชุมนุมพิษณุโลกหลักฐานระบุว่า กองทัพหลวงพระเจ้ากรุงธนบุรี ตั้ง ณ ตำบลเกยชัย (คำว่า “ชัย” สะกดตามหลักฐานในพระราชพงศาวดาร) กองทัพธนบุรีปะทะกองทัพพิษณุโลกในครั้งนั้น พระเจ้ากรุงธนบุรีทรงได้รับบาดเจ็บที่พระชงฆ์ (หน้าแข้ง) เพราะต้องปืนจึงถอยทัพกลับไปก่อน

จากหลักฐานที่กล่าวมาข้างต้น ทำให้เชื่อได้ว่า วัดแห่งนี้มีอยู่มาอย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่สมัยสุโขทัย สมัยอยุธยา ตราบจนกระทั่งสมเด็จพระสังฆราชเจ้าเสด็จมามนัสการพระบรมธาตุดังได้กล่าวมาแล้วอนึ่งควรระบุไว้ในที่นี้ด้วยว่าเมื่อครั้งสมัยรัชกาลที่ 5 เกยไชยมีฐานะเป็นอำเภอภายหลังจากอำเภอพันลานเปลี่ยนไปเป็นตำบลแล้ว ซึ่งอำเภอเกยไชยตามพระราชกิจจานุเบกษา เล่ม 20 หน้า 498 ลงวันที่ 25 ตุลาคม พ.ศ. 2446 (ร.ศ. 122) โดยขณะนั้นมีหลวงผดุงแดนสวรรค์ เป็นนายอำเภอ ซึ่งเป็นเครื่องแสดงถึงความเจริญรุ่งเรือง เมื่อมีการย้ายอำเภอไปที่ชุมแสง ฐานะของเกยไชยจึงเปลี่ยนไปเป็นตำบล ในขณะที่ชุมแสงได้รับการยกฐานะเป็นอำเภอมาจนถึงปัจจุบัน

จากคำบอกเล่าของพระครูนิทานธรรมประนาท (เที่ยง ปหฏฺโฐ) อดีตเจ้าอาวาสวัดเกยไชยเหนือ ระบุว่า เมื่อปี พ.ศ. 2513 สมัยพระครูนิรภัยวิเทต (หลวงพ่อทองอยู่) ได้พาชาวบ้านทำการบูรณปฏิสังขรณ์องค์พระบรมธาตุเจดีย์ ได้พบว่ายอดพระเจดีย์ประดับด้วยขันลงหิน 5 ใบคว่ำ ประกอบกันเป็นตุ้ม ครั้งนั้น ได้พบพระธาตุสีแดง มีลักษณะเป็นแก้วผลึกใส มีขนาดยาว 1 นิ้ว[1] เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 2 เซนติเมตร 1 องค์ รูปพรรณสัณฐานคล้ายคลึงกับพระบรมธาตุขององคุลีมาล เข้าใจว่าองค์พระบรมธาตุเจดีย์คงบรรจุไว้ทั้ง พระบรมธาตุ และพระธาตุของพระสาวก

อดีตเจ้าอาวาสยังเล่าให้ฟังว่า ครั้งหนึ่งเมื่อปี พ.ศ. 2533 ในระหว่าง งานผูกสีมา – ฝังลูกนิมิตอุโบสถหลังใหม่ ได้เกิดปรากฏการณ์ประหลาด มีน้ำเดือดผุดเกิดขึ้น ณ บริเวณท่าน้ำหน้าพระบรมธาตุ เป็นเวลาประมาณ 2 – 3 วัน แล้วหายไป ชาวบ้านพากันมาดูมากมายต่างเชื่อกันว่าเป็นการแสดงปาฏิหาริย์ของพระบรมธาตุความศักดิ์สิทธิ์ของพระบรมธาตุเป็นที่ประจักษ์แก่ประชาชนทั่วไปงานสมโภชพระบรมธาตุมีสืบเนื่องมาโดยตลอด จัดเป็นประจำทุกๆ ปี ปีละ 2 ครั้ง ครั้งแรก เป็นงานปิดทองไหว้พระ ห่มผ้าองค์หลวงพ่อพระบรมธาตุ และเทศกาลกินตาล ในวันขึ้น 14 – 15 ค่ำ เดือน 5 และครั้งที่สอง จัดขึ้นในวันแรม 1 – 2 ค่ำ เดือน 11 เป็นงานปิดทององค์พระบรมธาตุ และงานแข่งขันเรือประเพณี เท่าที่สืบค้นได้วัดแห่งนี้ มีรายนามผู้ดำรงตำแหน่งเจ้าอาวาส ดังนี้[2]

1. พระอาจารย์ปั่น (พ.ศ. 2400 – 2430)
2. พระสมุห์สอน (พ.ศ. 2430 – 2466)
3. พระครูนิรภัยวิเทต (ทองอยู่ ปญฺญาวฑฺฒโน, พ.ศ. 2466 – 2524)
4. พระครูนิทานธรรมประนาท (เที่ยง ปหฏฺโฐ, พ.ศ. 2524 – 2546)
5. พระครูนิธานปุญญาภิวัฒน์ เจ้าคณะอำเภอ ชุมแสง (พ.ศ. 2546 – ปัจจุบัน)