ตามทะเบียนวัด วัดป่าบึงเขาหลวงตั้งขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2244 โดยพระอาจารย์เสาร์ กันตสีโล ได้เดินธุดงค์มาพักชั่วคราวแล้วจากไป ต่อมาอีก 2 ปี ท่านพระอาจารย์เสาร์เห็นว่าที่แห่งนี้มีความสำคัญ และเหมาะสมจึงกลับมา พาพระ เณร ญาติโยม ปฏิสังขรณ์พระประธาน และเมื่อจำพรรษาอยู่ไม่นานก้จากไปอีก แต่มีพระสงฆ์ประจำอยู่ตลอดเวลา ส่วนการประพฤติปฏิบัติตามพระธรรมวินัยก็ค่อย ๆ เสื่อมสิ้นลง

          ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2508 ท่านหลวงพ่อเจ้าคุณพระโพธิญาณเถร (ชา สุภัทโท) กับพระอาจารย์ จันทร์ อินฺทวีโร พร้อมด้วยญาติโยมได้เดินธุดงค์จากวัดหนองป่าพงมาพัก 5-6 คืน หลังจากนั้นก็จากไป ต่อมา 1 ปี หลวงพ่อชาเห็นว่าที่แห่งนี้เหมาะแก่การประพฤติปฏิบัติพระธรรมวินัย จึงได้ส่งพระอาจารย์จันทร์ พร้อมด้วยพระ 2 รูป เณร 1 รูป มาอยู่ประจำ

          ภายหลังได้มีการจัดตั้งเป็นสำนักสงฆ์ และยกขึ้นเป็นวัดฝ่ายวิปัสสนากัมมัฎฐานสายพระอาจารย์ชา สุภัทโท และมีการก่อสร้างอาคารเสนาสนะขึ้นใหม่ บางส่วนได้สร้างซ้อนทับลงบนแนวรากฐานของอาคารสิม (อุโบสถ) เก่า ซึ่งเป็นเครื่องไม้ และบูรณะองค์พระประธานปูนปั้นของเดิมไปพร้อมกัน คงเหลือแต่ธาตุภายในวัด 2 แห่ง ที่ยังคงสภาพเดิม คือ ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวงและธาตุน้อย

           ลักษณะทางสถาปัตยกรรม ศิลปกรรม ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวง ตั้งอยู่ด้านหน้าของโบสถ์ ไม่ปรากฏหลักฐานหรือตำนานการสร้างที่แน่ชัด รูปทรงทางสถาปัตยกรรมแสดงให้เห็นถึงรูปแบบพระธาตุหรือเจดีย์ ที่กลุ่มชนวัฒนธรรมไทย-ลาว สร้างขึ้นพร้อม ๆ กับการอพยพเข้ามาตั้งถิ่นฐานของชุมชนในพื้นที่แถบเมืองอุบลราชธานีและยโสธรรหว่างปลายรัชสมัยกรุงศรีอยุธยา ถึงต้นสมัยรัตนโกสินทร์ ราวพุท่ธศตวรรษที่ 24 หากยึดตามประวัติข้างต้น ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวงน่าจะสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2244 - 2508 มีลักษณะเป็นเจดีย์ทรงลาว หรือ อูบมุง จัดอยู่ในกลุ่มธาตุอีสานที่ได้รับอิทธิพลมาจากพระธาตุพนม (องค์ก่อนการบูรณะ เมื่อปี พ.ศ. 2483)

 ก่อนการบูรณะ 

            ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวง แบ่งองค์ประกอบได้ 3 ส่วน คือ ฐานธาตุ เรือนธาตุ และยอดธาตุ

 ฐานธาตุ มีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยม วัดความกว้างของแต่ละด้านได้ประมาณ 6.20 เมตร ส่วนฐานนี้มีการทับถมของดิน สูงจากผิวดินขึ้นไปประมาณ 1.30 เมตร โดยทางวัดได้จัดให้มีการก่อสร้างแนวอิฐบล็อกล้อมรอบ และปลูกไม้ประดับต่าง ๆ มีทั้งที่ปลูกล้อมรอบและปลูกไว้บนฐานของเจดีย์ ฐานธาตุนี้เริ่มจากส่วนล่างสุดของธาตุ สูงขึ้นไปจนสุดชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ ที่ความสูงประมาณ 13 เมตร อย่างไรก็ตามส่วนฐานธาตุไม่สามารถระบุรูปแบบที่แท้จริงได้ เนื่องจากแนวอิฐพังทลายไปมาก

 เรือนธาตุ อยู่ถัดจากส่วนฐานธาตุเหนือชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ขึ้นไป มีลักษณะเป็นบัวเหลี่ยมทรงพุ่ม หรือ อูบ ด้านบนประกอบด้วยแอวขันชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ และบัวคว่ำบัวหงาย 

ยอดธาตุ เป็นทรงพุ่มสี่เหลี่ยมลบมุมทั้งสี่ด้านรองรับด้วยอูบขนาดเล็ก ยอดธาตุส่วนใหญ่อยู่ในสภาพสมบูรณ์ มีเพียงส่วนของอูบด้านทิศเหนือกับทิศตะวันตก และรอยต่อระหว่างอูบกับส่วนยอดบนสุดเท่านั้นที่มีอิฐหลุดหายไปบ้าง ส่วนของปูนฉาบที่ผิวนอกยังคงหลงเหลืออยู่มากกว่า 50 %

            การทรุดโทรมและพังทลายในบางส่วนขององค์ธาตุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนฐานธาตุ ซึ่งเปิดเผยให้เห็นชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ที่ด้านทิศตะวันออกและทิศตะวันตก ประกอบกับแนวก่อพอกของชั้นอิฐที่ปกคลุมชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ที่ด้านทิศเหนือไว้ หรือการพังทลายของผนังส่วนเรือนธาตุด้านทิศตะวันออก ทิศตะวันตกและทิศเหนือ ทำให้เกิดข้อสันนิษฐานว่า ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวงเป็นเจดีย์ที่สร้างขึ้นในสองยุคสมัย

           ในขั้นตอนการบูรณะ ปี พ.ศ. 2542 ได้ทำการรื้อแนวอิฐด้านทิศตะวันตกเป็นแนวกว้างประมาณ 70 เซนติเมตร มีความสูงตั้งแต่ชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ของส่วนฐานธาตุลงไปจนถึงระดับเดียวกับฐานชั้นหน้ากระดานภายในแนวอิฐก่อพอก (ธาตุองค์นอก) มีการพบชั้นบัวด้านในประกอบด้วย 

ล่างสุดเป็นชั้นหน้ากระดานสูงขึ้นมา แล้วลดชั้น 3 ชั้น ต่อด้วยชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ ถัดขึ้นไปเป็นชั้นบัวถลา ต่อด้วยหน้ากระดานสูง (ประมาณ 80 ซ.ม.) คั่นกลางด้วยชั้นบัวลูกแก้วอกไก่เล็ก ๆ ถัดจากชั้นหน้ากระดานขึ้นไปจึงเป็นชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ ซึ่งติดกับอูบของเรือนธาตุ

 การค้นพบดังกล่าวสนับสนุนข้อสันนิษฐานที่ว่า ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวงประกอบด้วยการก่อสร้างสองยุคสมัย โดยเจดีย์องค์นอกซึ่งมีรูปแบบที่ได้รับอิทธิพลจากพระธาตุพนม (องค์ก่อนการบูรณะ เมื่อปี พ.ศ. 2483) ได้สร้างซ้อนทับพอกปิดองค์ธาตุเดิมไว้

           ธาตุน้อย ตั้งอยู่บนทิศเหนือของโบสถ์ ภายในวัดป่าบึงเขาหลวง ในบริเวณใกล้เคียงกับธาตุวัดป่าบึงเขาหลวง โดยอยู่ห่างจากวัดป่าบึงเขาหลวงไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือประมาณ 13 เมตร  ฐานธาตุ มีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยม กว้างด้านละ 3.60 เมตร  เรือนธาตุ เป็นทรงแปดเหลี่ยม จากส่วนล่างรูปทรงค่อย ๆ สอบเข้าหาองค์เจดีย์ถึงกึ่งกลางของเรือนธาตุและมีการลดชั้นเล็ก ๆ 2 ชั้น ประดับด้วยกลีบบัวฝันยักษ์โดยรอบ (ปัจจุบันเหลือเพียง 2 ชิ้น) จากส่วนกลางค่อย ๆ ผายออกตามความสูงขึ้นไปยังส่วนบนสุดของเรือนธาตุ 

ยอดธาตุ พังทลายหายไปไม่สามารถระบุรูปทรง

          สภาพปัจจุบัน ธาตุวัดป่าบึงเขาหลวง ภายหลังการบูรณะปี 2542 ยังคงมีสภาพเอียงไปทางทิศใต้เช่นเดิม การก่ออิฐเสริมส่วนเรือนธาตุและยอดธาตุทำให้สามารถมองเห็นรูปทรงที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ส่วนฐานธาตุก่อละจากชั้นหน้ากระดานขึ้นไปถึงชั้นบัวลูกแก้วอกไก่ ซึ่งเปิดให้เห็นเพียงบางส่วนที่ด้านทิศใต้ ทิศตะวันออก และทิศตะวันตก ส่วนด้านทิศเหนือยังคงปิดไว้ดังเดิม การดำเนินการบูรณะครั้งนั้น ได้จัดทำแผ่นป้ายประวัติไว้ทางทิศเหนือของโบราณสถานด้วย

            สำหรับธาตุน้อย ได้ดำเนินการขุดแต่งฐานธาตุ พบว่าเป็นชั้นหน้ากระดานอยู่ลึกลงไปจากผิวดินประมาณ 35 เซนติเมตร การบูรณะได้ทำการก่อเสริมส่วนเรือนธาตุให้มีความสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ส่วนยอดธาตุที่หายไปยังคงปล่อยไว้ให้เป็นไปตามสภาพเดิม เมื่อทำการพ่นน้ำยากันตะไคร่น้ำ-เชื้อรา และทาน้ำยาซิลิโคนเสริมความแข็งแกร่งของอิฐเสร็จเรียบร้อย จึงทำการกลบธาตุให้อยู่ในระดับเดียวกับผิวดิน