ประวัติการก่อสร้างของโบราณสถานธาตุนางพญาไม่ปรากฏหลักฐานที่แน่ชัด แต่จากลักษณะแผนผัง รูปแบบทางสถาปัตยกรรม และส่วนประกอบโบราณสถานที่พบจากการขุดแต่งสามารถกล่าวได้ว่า ธาตุนางพญาเป็นศาสนสถานที่ก่อสร้างขึ้นเนื่องในศาสนาพราหมณ์หรือฮินดู ซึ่งได้รับอิทธิพลมาจากการก่อสร้างศาสนสถานของขอม

          จากการสัมภาษณ์ชาวบ้านหนองสะโน มีความเชื่อในเรื่องของตำนานเกี่ยวกับการก่อสร้างธาตุนางพญาว่า ในสมัยพระเจ้าชัยวรมันที่ 7 ทรงส่งเจ้ารินทองและมเหสี มาปกครองแถบหนองสะโนในปัจจุบัน บริเวณชุมชนจะอยู่ตรงห้วยธาตุ มีสระน้ำขนาดใหญ่ พื้นที่ประมาณ 50 ไร่ ใช้เลี้ยงดูชาวบ้านชาวเมือง อาณาเขตการปกครองจรดเมืองยักษ์ ซึ่งมีกษัตริย์ทรงพระนามว่า กาลษา อยู่ในบริเวณสระอุบล บ้านโนนเลียงในปัจจุบัน

         ทั้งพระเจ้ารินทองและพระยายักษ์กาลษาต่างก็มีวิชาอาคม ครั้งหนึ่งได้ทำสงครามกันไม่มีผู้ใดแพ้ชนะ พระยายักษ์ได้เสกคาถาให้เป็นน้ำ พระเจ้ารินทองก็เสกคาถาเป็นน้ำได้เช่นกัน พระยายักษ์เสกคาถาให้เป็นไฟ พระเจ้ารินทองก็เสกเป็นไฟได้เช่นกัน พระยายักษ์แปลงร่างเป็นเหยี่ยว พระเจ้ารินทองก็แปลงร่างเป็นตัวไรเกาะติดตัวเหยี่ยว พระยายักษ์แปลงร่างเป็นม้า พระเจ้ารินทองก็แปลงร่างเป็นคนขี่ม้า พระยายักษ์จะดื่มน้ำ พระเจ้ารินทองก็แปลงร่างเป็นปลาหมอลอยอยู่ในน้ำและติดคอพระยายักษ์กาลษา ทำให้เกิดความเจ็บปวดเป็นที่สุด ทำให้พระยายักษ์โกรธแค้นพระเจ้ารินทองเป็นยิ่งนัก

        ต่อมาวันหนึ่งพระเจ้ารินทองทรงม้าจะเดินทางไปเยี่ยมญาติที่ปรางค์กำแพงใหญ่ อำเภออุทุมพรพิสัยในปัจจุบัน พระยายักษ์กาลษาได้โอกาสเห็นว่าเหมาะแก่การโจมตีหวังเอานางพญามเหสีของพระเจ้ารินทอง นางพญาขัดขืนจึงถูกทหารยักษ์ฆ่าตาย พระเจ้ารินทองกลับมาเศร้าโศกเสียใจ จึงฝังศพของนางพญา และก่อปรางค์ทับเอาไว้ ตัวปรางค์ทำด้วยหินทราย กำแพงล้อมรอบด้วยศิลาแลง แกะสลักแผ่นหินเรื่องราวประวัติการต่อสู้ของพระเจ้ารินทอง มีพระพิฆเณศเฝ้าประตูทางเข้า (ข้อมูลจากการสัมภาษณ์ อาจารย์โกสุม อ้วนคำ) กรมศิลปากรได้ขึ้นทะเบียนธาตุนางพญา (คูห้วยธาตุหรือธาตุสมเด็จนางพญา) โดยประกาศกำหนดจำนวนโบราณสถานสำหรับชาติในราชกิจนุเบกษา เล่ม 53 ตอนที่ 34 วันที่ 27 กันยายน พ.ศ. 2479 และประกาศกำหนดเขตที่ดินโบราณสถานในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 98 ตอนที่ 177 วันที่ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2524 กำหนดพื้นที่โบราณสถานประมาณ 2 ไร่ 2 งาน 52 ตารางวา

        ลักษณะทางสถาปัตยกรรม ศิลปกรรม  โบราณสถานธาตุนางพญาก่อสร้างด้วยหินทราย หันหน้าไปทางทิศตะวันออก มีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า สิ่งก่อสร้างที่สำคัญประกอบด้วยอาคารรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า หรือปราสาทประธานตั้งอยู่ตรงกลาง 1 หลัง ล้อมรอบด้วยกำแพงศิลาแลง มีโคปุระหรือซุ้มประตูอยู่ทางทิศตะวันออก 1 ด้าน ระหว่างโคปุระกับปราสาทประธาน มีทางเดินปูเชื่อมต่อกันด้วยอิฐ

1. ปราสาทประธาน เป็นปราสาทหินทรายบนฐานศิลาแลง ส่วนฐานมีขนาด 6.20 x 8.80 เมตร ประกอบด้วยหินศิลาแลงสกัดเป็นฐานบัวคว่ำ 1 ชั้น ถัดขึ้นไปเรียงเป็นหน้ากระดาน 3 ชั้น เหนือขึ้นไปสกัดเป็นบัวหงายรองรับเรือนธาตุ ทางด้านหน้าก่อยื่นออกไปเพื่อเป็นบันไดทางขึ้นซึ่งทำด้วยศิลาแลง กว้างประมาณ 0.60 เมตร ภายในมีการปูพื้นด้วยหินศิลาแลง
2. โคปุระ อยู่ด้านทิศตะวันออก ทางด้านปราสาทประธาน เป็นประตูทางเข้าสู่โบราณสถาน ทางด้านหน้าก่อยื่นออกไปเพื่อเป็นบันได ลักษณะเหมือนกับช่องบันไดทางขึ้นของปราสาทประธานสร้างด้วยศิลาแลง ช่องประตูกว้างประมาณ 1.00 เมตร ผนังก่อทึบ ส่วนบนหลังคาพังทลายลงมาหมด กรอบประตูทำด้วยหินทราย พื้นในปูด้วยศิลาแลง ส่วนทิศเหนือและทิศใต้ได้ก่อแนวกำแพงเป็นปีกออกจากตัวโคปุระ
3. กำแพง ลักษณะแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ขนาด 25 x 17.50 เมตร อยู่ในสภาพค่อนข้างจะสมบูรณ์กว่าปราสาทประธานและโคปุระ แต่ก็มีบางจุดอยู่ในสภาพทรุดเอียง และพังทลายลงมา แนวกำแพงก่อสร้างด้วยศิลาแลง ส่วนของฐานล่างมีการสกัดให้เป็นฐานบัวคว่ำแบบฐานโคปุระ และฐานของปราสาทประธาน ด้านบนของกำแพงทำเป็นหัวหงาย ส่วนยอดสุดทำเป็นรูปโค้งวงกลม มีขอบสี่เหลี่ยมที่ยอดสุด

          สภาพโบราณสถานภายหลังการบูรณะ จะเห็นว่ามีสภาพที่มั่นคงแข็งแรง แนวกำแพงและโคปุระถูกเสริมความมั่นคงและเรียงประกอบหินให้อยู่ในแนวที่สวยงาม รวมไปถึงองค์ปรางค์ประธานที่ก่อเรียงขึ้นจนมีรูปทรงที่มั่นคงแข็งแรงเช่นเดียวกัน ทำให้ภาพของโบราณสถานที่เคยพังทลาย และถูกทิ้งร้าง กลับมามีสภาพที่นาดูน่าชม เป็นหลักฐานทางโบราณคดีที่สามารถแสดงพัฒนาการของการก่อสร้างอาคารสถานที่ได้รับอิทธิพลมาจากเขมรโบราณอีกแห่งหนึ่งในจังหวัดอุบลราชธานี ซึ่งจะสามารถส่งผลต่อการพัฒนาทางด้านการศึกษาการท่องเที่ยว และด้านเศรษฐกิจของท้องถิ่นได้อีกแห่งหนึ่ง