โบราณสถานธาตุนางพญาเป็น ศาสนสถานที่มีแผนผังการก่อสร้างเป็นปราสาทหินทหารหลังเดียวโดดๆ บนฐานศิลาแลง เรือนธาตุมีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสย่อมุมละ ๕ มุม มีประตูทางเข้าด้านเดียวคือด้านทิศตะวันออกอีกสามด้านเป็นประตูหลอก ด้านหน้าก่อฐานยื่นเป็นมุขไปทำเป็นช่องบันไดทางขึ้น ระหว่างโคปุระกับบันไดทางขึ้นปราสาทปูพื้นอิฐเป็นทางเดิน กำแพงแก้วก่อสร้างด้วยศิลาแลง มีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โคปุระหรือซุ้มประตูทางเข้าปรากฏอยู่ทางทิศตะวันออกของแนวกำแพง และห่างออกไปทางด้านทิศเหนือประมาณ ๓ooเมตร มีบารายขนาดใหญ่ แสดงให้เห็นการรวมกลุ่มกันเป็นชุมชนขนาดใหญ่อยู่บริเวณโดยรอบศาสนสถานแห่งนี้ ซึ่งถือเป็นศูนย์กลางของความเชื่อและพิธีกรรมภายใต้อิทธิพลวัฒนธรรมเขมรที่แผ่เข้ามายังดินแดนตอนเหนือของเทือกเขาพนมดงรัก ใกล้กับลำโดมน้อยซึ่งเป็นลำสาขาของแม่น้ำมูลเนื่องจากตำแหน่งที่ตั้งห่างจากศูนย์กลางอิทธิพลวัฒนธรรมเขมรค่อนข้างมาก
โบราณสถานแห่งนี้ น่าจะเป็นสิ่งก่อสร้างแบบเขมรสมัยบายน ราวพุทธศตวรรษที่ 16-17 บารายขนาดใหญ่ น่าจะเป็นสิ่งที่สะท้อนถึงบริบททางสังคมวัฒนธรรม แสดงให้เห็นการรวมกลุ่มกันเป็นชุมชนขนาดใหญ่อยู่บริเวณโดยรอบศาสนาสถานแห่งนี้ ซึ่งถือเป็นศูนย์กลางของความเชื่อและพิธีกรรมภายใต้อิทธิพลวัฒนธรรมเขมรที่แผ่เข้ามายังดินแดนตอนเหนือของเทือกเขาพนมดงรัก ใกล้กับลำโดมน้อย ซึ่งเป็นลำสาขาของแม่น้ำมูล
ลักษณะเป็นปราสาทหินทรายหลังเดียวตั้งบนฐานศิลาแลง -หันหน้าไปทางทิศตะวันตก ล้อมรอบด้วยกำแพงศิลาแลง -ที่กำแพงทางทิศตะวันออกมีซุ้มประตูหรือโคปุระสำหรับเป็นทางเข้าออก -1 ซุ้ม ถูกสร้างขึ้นในช่วงพุทธศตวรรษที่ 16-17 ตรงกับสมัยศิลปะเขมรแบบบาปวน-นครวัด