ตามประวัติกล่าวว่าพระบาทสมเด็จพระพุทธเลิศหล้านภาลัย (รัชกาลที่ 2) ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าลูกยาเธอกรมหมื่นเจษฎาบดินทร์กับเจ้าพระยาพระคลัง (ดิศ บุนนาค) เป็นแม่กองจัดสร้างป้อมปราการจำนวน 6 ป้อม ใช้เวลาในการก่อสร้างทั้งหมด ๓ ปีจึงแล้วเสร็จ เมื่อสร้างป้อมเสร็จแล้วทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าลูกยาเธอกรมหมื่นเจษฎาบดินทร์ กับเจ้าพระยาพระคลัง เป็นผู้อำนวยการสร้างพระเจดีย์ขึ้นที่เกาะหาดทรายท้ายป้อมผีเสื้อสมุทร เพื่อเป็นอนุสรณ์ในการที่พระองค์ทรงสละพระราชทรัพย์ เพื่อปกป้องประเทศชาติและพระศาสนา โดยโปรดฯ ให้กรมพระราชวังสถานมงคลมหาศักดิพลเสพ กับพระยาราชสงครามเขียนแบบแผนผังรูปพระเจดีย์ถวาย แล้วทรงเฉลิมพระนามว่า “ พระสมุทรเจดีย์ ”
แต่ยังมิได้ทันก่อสร้างก็เสด็จสวรรคตเสียก่อน เมื่อสมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอกรมหมื่นเจษฎาบดินทร์เสด็จเถลิงถวัลยราชสมบัติเป็นพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 3) จึงพระกรุณาโปรดเกล้าฯให้เจ้าพระยาศรีธรรมราชกับเจ้าพระยาพระคลังเป็นแม่กองจัดสร้างต่อการก่อสร้างเริ่มเมื่อวันอังคาร ขึ้น 11 ค่ำ เดือน 12 (ตรงกับวันที่ 30 ตุลาคม พ.ศ. 2370) แล้วเสร็จเมื่อวันพุธ ขึ้น 15 ค่ำ เดือน 7 (ตรงกับวันที่ 2 พฤษภาคม พ.ศ.2371) ลักษณะขององค์พระสมุทรเจดีย์ที่สร้างขึ้นในสมัยรัชกาลนี้เป็นเจดีย์รูปสี่เหลี่ยมย่อมุมไม้สิบสอง ต่อมาได้มีผู้ร้ายลักลอบขุดองค์ระฆังลักเอาพระบรมธาตุที่บรรจุอยู่ภายใน
สมัยรัชกาลที่ 4 พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ช่างไปถ่ายแบบพระเจดีย์ที่กรุงศรีอยุธยามาจัดการก่อสร้างสวมทับพระเจดีย์รูปเดิมไว้ โดยลักษณะเป็นเจดีย์ทรงกลมวัดจากฐานล่างจนถึงยอดสูงสุด 19 วา จากนั้นจึงอัญเชิญพระบรมสารีริกธาตุ 12 องค์ จากพระบรมมหาราชวังมาบรรจุไว้แทนของเดิมที่สูญหายไป ในการนี้ได้โปรดฯให้สร้างศาลาเก๋งจีน หอเทียน หอระฆัง พระวิหารพร้อมด้วยพระพุทธรูปปางห้ามสมุทร กับหลักผูกเรือริมน้ำรอบองค์พระสมุทรเจดีย์ ฯลฯ สิ้นพระราชทรัพย์ในการก่อสร้าง 588 ชั่งเศษ และในรัชกาลต่อมาก็ได้มีการทำนุบำรุง และบูรณะปฏิสังขรณ์พระสมุทรเจดีย์มาโดยตลอด กรมศิลปากรได้ประกาศขึ้นทะเบียนพระสมุทรเจดีย์เป็นโบราณสถานของชาติ ในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 52 ตอนที่ 75 วันที่ 8 มีนาคม 2487 และเล่ม 110 ตอนที่ 186 วันที่ 12 พฤศจิกายน 2536