โบราณสถานธาตุนางพญาเป็น ศาสนสถานที่มีแผนผังการก่อสร้างเป็นปราสาทหินทหาร หลังเดียวโดดๆ บนฐานศิลาแลง เรือนธาตุมีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสย่อมุมละ 5 มุม มีประตูทางเข้าด้านเดียวคือด้านทิศตะวันออกอีกสามด้านเป็นประตูหลอก ด้านหน้าก่อฐานยื่นเป็นมุขไปทำเป็นช่องบันไดทางขึ้น ระหว่างโคปุระกับบันไดทางขึ้นปราสาทปูพื้นอิฐเป็นทางเดิน กำแพงแก้วก่อสร้างด้วยศิลาแลง มีแผนผังเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โคปุระหรือซุ้มประตูทางเข้าปรากฏอยู่ทางทิศตะวันออกของแนวกำแพง และห่างออกไปทางด้านทิศเหนือประมาณ 300 เมตร มีบารายขนาดใหญ่ แสดงให้เห็นการรวมกลุ่มกันเป็นชุมชนขนาดใหญ่อยู่บริเวณโดยรอบศาสนสถานแห่งนี้ ซึ่งถือเป็นศูนย์กลางของความเชื่อและพิธีกรรมภายใต้อิทธิพลวัฒนธรรมเขมรที่แผ่เข้ามายังดินแดนตอนเหนือของเทือกเขาพนมดงรัก ใกล้กับลำโดมน้อยซึ่งเป็นลำสาขาของแม่น้ำมูลเนื่องจากตำแหน่งที่ตั้งห่างจากศูนย์กลางอิทธิพลวัฒนธรรมเขมรค่อนข้างมาก ลักษณะของสถาปัตยกรรมจึงเป็นแบบเรียบง่าย และมีขนาดไม่ใหญ่มากนัก หรืออาจจะสร้างไม่เสร็จตามเจตนาของผู้สร้างก็เป็นได้ โบราณสถานนางพญาน่าจะถูกสร้างขึ้นในระยะเวลาภายหลังจากการสถาปนา "ศรีศิขเรศวร" หรือปราสาทพระวิหารในราวพุทธศตวรรษที่ 15 ซึ่งในช่วงระยะเวลานี้ ดินแดนแถบอีสานตอนล่างโดยเฉพาะบริเวณลำน้ำมูลได้ถูกผนวกเข้าเป็นดินแดนส่วนหนึ่งของอาณาจักรเขมร จึงได้พบศาสนสถานเขมรแพร่หลายในช่วงระยะเวลานี้เป็นจำนวนมากในแถบจังหวัดนครราชสีมา บุรีรัมย์ สุรินทร์ ศรีสะเกษ และอุบลราชธานี ในช่วงราวพุทธศตวรรษที่ 16 เป็นต้นมา ชุมชนโบราณตอนเหนือของเทือกเขาพนมดงรัก หรือแถบลุ่มแม่น้ำมูลตอนปลาย (แถบจังหวัดศรีสะเกษและอุบลราชธานี) น่าจะมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับชุมชนโบราณที่อยู่บริเวณเขาพระวิหาร เนื่องจากปราสาทพระวิหารจะเป็นศูนย์กลางในการแผ่อิทธิเข้ามายังตอนในภูมิภาคนี้ ดังนั้นโบราณสถานธาตุนางพญาจึงน่าจะสร้างขึ้นในราวพุทธศตวรรษที่ ๑๖ ๑๗ อีกก็คือ แผนผังและรูปแบบสถาปัตยกรรมสามารถนำไปเปรียบเทียบกับโบราณสถานที่สร้างขึ้นในสมัยนี้อยู่หลายแห่งที่มีรูปแบบสถาปัตยกรรมซึ่งตรงกับศิลปะบาปวนนครวัด ที่นิยมสร้างปราสาทปราสาทอิฐสามหลังบนฐานเดียวกัน เช่น ปราสาททองหลาง อำเภอเดชอุดม จังหวัดอุบลราชธานี และปราสาทบ้านเบ็ญ อำเภอทุ่งศรีอุดม จังหวัดอุบลราชธานี เป็นต้น