สร้างมาในสมัยพระนางจามเทวี พร้อมการการสร้างเมืองลี้

องค์พระธาตุที่เห็น มีอายุไม่เกิน 80 ปี เพราะสร้างใหม่ครอบองค์เดิม โดยสร้างบนตำแหน่งเมืองโบราณเดิม

เจดีย์พระธาตุดวงเดียวองค์ปัจจุบันเป็นทรงเหลี่ยม ย่อมุม รูปทรงเพรียวชะลูด สูงประมาณ 30 ม. ถูกสร้างครอบเจดีย์องค์เดิมจนไม่เหลือเค้าเจดีย์เก่า ตั้งอยู่ภายในระเบียงคด

มีตำนานที่ว่า ในสมัยของพระนางจามรี ได้หนีภัยสงครามจากหลวงพระบาง มาสร้างเมืองลี้ โดยช้างมงคลได้ทำกิริยา 5 ประการ แล้วล้มลงขาดใจตาย พระนางจามเทวี จึงสั่งให้เผาซากช้างแล้วก่อเจดีย์ครอบไว้ แล้วสร้างเมืองลี้ ณ สถานที่แห่งนี้คือ วัดพระธาตุดวงเดียว จึงมีอีกชื่อหนึ่งว่า "พระธาตุกลางเวียง"

ปัจจุบันยังคงมีร่องรอยของคันคูเวียงให้เห็นอยู่บ้างตามริมถนนพหลโยธิน