Ðến nay, chưa có một tư liệu lịch sử cụ thể nào khẳng định niên đại khởi dựng của cây tháp nhưng kết quả của các nhà nghiên cứu cho thấy tháp được xây dựng vào khoảng thế kỷ XV-XVI. Tháp Chiềng Sơ là công trình kiến trúc nghệ thuật thể hiện rõ sự tài ba và sự sáng tạo nghệ thuật của nhân dân hai nước Việt - Lào. Tháp được kiến trúc theo hình nậm rượu, dưới to và phần trên nhỏ dần. Tháp cao 10,5m, bốn mặt xung quanh chân Tháp được đặt 2 chú voi ở đằng trước và 2 chú chó ở đằng sau. Tháp được xây dựng bằng gạch và vôi vữa mật. Gạch để xây tháp có hai loại đó là gạch chỉ loại cỡ lớn, dày dùng để xây dưới chân tháp, còn loại gạch nhỏ và mỏng dùng để xây trên thân, ngọn Tháp.

Phía chân Tháp được xây dựng theo hình vuông  gồm nhiều tầng xếp lên nhau làm cho dáng vẻ cây Tháp thêm phần chắc chắn, ngoài lớp gạch được trát một lớp vữa, xung quanh không trang trí hoa văn. Phần thân tháp được trang trí những họa tiết hoa văn, nổi bật là một tòa sen có sáu lớp chồng lên nhau đội lấy tòa tháp cùng với những đường nét hoa văn chìm nổi cách điệu hình chim muông, hoa lá theo bố cục từng phần rất hài hòa. Ðặc biệt hơn cả là những con rồng được đắp nổi uốn mình quanh thân tháp, đầu và đuôi rồng chụm vào nhau tạo thành hình số tám. Những con rồng này mang trên mình lớp vảy rất đặc trưng, không giống bất cứ phong cách thể hiện nào qua các thời kỳ lịch sử ở Việt Nam. Rồng có kích thước nhỏ như những con rắn mà văn hóa Ấn Ðộ giáo tôn thờ. Những họa tiết hoa văn này được bố trí hài hòa quanh thân tháp nhằm tạo điểm nhấn và tôn lên vẻ đẹp của tháp đồng thời tạo sức hấp dẫn và lôi cuốn người xem khi được chiêm ngưỡng di tích kiến trúc nghệ thuật này.

Từ phần chính của thân tháp trở lên trên được xây theo kiểu kiến trúc hình ống dạng hình lục giác, xung quanh là đường tiếp tuyến xen lẫn hình cánh sen chạy liên hoàn quanh thân tháp. Thân tháp có 3 tầng, các mặt của mỗi tầng được xây trát phẳng theo hình lục giác không trang trí hoa văn, đặc biệt phần chính giữa của mỗi tầng được xây phình to ra trông giống hình những búp sen non. Ở giữa phần giáp nối của mỗi tầng đều được trang trí hoa văn, các hoa văn được cách điệu và đắp sẵn rồi gắn vào như: hình cánh sen, hình lưỡi mác, hình mặt trời và các hình hoa lá khác; bên trong các cánh sen và lưỡi mác có gắn những miếng gương nhỏ để khi mặt trời chiều vào tỏa ánh hào quang ra xung quanh. Tầng trên cùng (ngọn tháp) được trang trí giống tầng dưới, chỉ khác về kích thước được thu nhỏ để tạo nên vẻ đẹp mềm mại và thanh tú của tháp.

Tháp Chiềng Sơ tiềm ẩn nhiều giá trị kiến trúc, lịch sử, văn hóa còn tồn tại đến ngày nay. Ðây là di tích mang giá trị nghệ thuật cao về mặt kiến trúc. Kiểu dáng của Tháp kết hợp với những họa tiết hoa văn cho thấy đây là một di sản văn hóa cổ được gửi gắm những tư duy sáng tạo, những dụng ý nghệ thuật và suy tưởng về cuộc sống của những người trực tiếp xây dựng nên tháp nói riêng và nhân dân hai dân tộc Việt - Lào nói chung. Tháp Chiềng Sơ để lại giá trị lịch sử to lớn bởi đã giúp các nhà nghiên cứu tìm ra và khẳng định được lịch sử về tình đoàn kết gắn bó lâu đời giữa hai dân tộc anh em Việt - Lào.