รูปแบบสถาปัตยกรรม พระธาตุดอยตุงแต่เดิมมีองค์เดียว รูปแบบกสนก่อเป็นศิลปะเชียงแสนย่อมุมไม้สืบสอง คล้ายกับพระธาตุดอยสุเทพ เมืองเชียงรายสมัยก่อนเป็นเมืองร้างอยู่หลายครา พระธาตุดอยตุงจึงขาดการบูรณะปฏิสังขรณ์ ตัวพระธาตุทรุดโทรมและพังทลายลงนับตั้งแต่พญามังรายได้สร้างเจดีน์อีกองค์ใกล้กัน อีกองค์หนี่งจึงทำให้พระธาตุดอยตุงมีสององค์ ปัจจุบันพระธาตุเป็นสีกองขนาดเล็กสององค์สูงประมาณ 5 เมตร บนฐานสี่เหลี่ยมย่อมุม มีซุ้มจระนำสี่ทิศ อยู่บนดอยสูงแวดล้อมด้วยป่ารกคลื้ม เรียกว่า สวนเทพารักษ์ เชื่อกันว่าเป็นที่สถิตของเทพารักษ์และสิ่งศักดิ์สิทธิ์ ต่อมาเมื่อปี พ.ศ. 2470 องค์พระธาตุทรุดโทรมมาก ครูบาเจ้าศรีวิชัย กับประชาชนเมื่องเชียงรายได้บูรณะขึ้นใหม่ โดยสร้างเป็นเจดีย์องค์ระฆังขนาดเล็กสององค์บนฐานแปดเหลื่ยม ตามศิลปะแบบล้านนา การบูรณะครั้งหลังสุด มีขั้นเมื่อปี พ.ศ. 2516 โดยกระทรวงมหาดไทย ได้สร้างพระธาตุองค์ใหม่ขึ้นครอบพระเจดีย์เดิมไว้

ตามตำนานเล่าว่า พระธาตุดอยตุงสร้างขึ้นในสมัยพระเจ้าอชุตราช กษัตริย์ผู้ครองนครโยนกพันธุ์ (ปัจจุบันคืออำเภอแม่จัน) พระมหากัสสปะได้อัญเชิญพระบรมสารีริกธาตุส่วนพระรากขวัญเบื้องซ้าย (กระดูกไหปลาร้า) แล้วมอบให้แก่ พระเจ้าอชุตราช ได้สร้างเจดีย์บรรจุพระบรมสารีริกธาตุนั้นไว้บนดอยแห่งนี้ ดังที่พระพุทธเจ้าทรงพยากรณ์ไว้ แล้วจึงได้ให้ทำตุง (ธง) มีความยาว 1,000 วา ปักไว้บนยอดเขา หากตุงปลิวไปถึงที่ใด ก็กำหนดมห้เป็นฐานของพระเจดีย์ ทั้งนี้พระองค์ได้พระราชทานทองคำให้พวกลาวจกเป็นค่าที่ดิน และให้พวกปีลักยู 500 ครอบครัว ดูแลรักษาพระธาตุ ต่อมาในสมัยพญามังรายแห่งราชวงศ์มังราย พระมหาวชิรโพธฺเถระได้นำพระบรมสารีริกธาตุมาถวาย 50 องค์ พญามังรายจึงให้สร้างพระเจดีย์อีกองค์ใกล้กับเจดีย์องค์เดิม นับจากนั้นเป็นต้นมา พระธาตุดอยตุงจึงได้มีเจดีย์สององค์มาจนถึงทุกวันนี้