เป็นที่ทราบกันว่า พระปฐมเจดีย์ที่เห็นกันทุกวันนี้เป็นเจดีย์ที่สร้างขึ้นสมัยกรุงรัตนโกสินทร์ในรัชกาลที่ ๔ เป็นเจดีย์ใหญ่ที่สุดในประเทศไทย สร้างครอบเจดีย์เก่าไว้ถึง ๒ องค์ องค์แรกนั้นนักโบราณคดีสันนิษฐานกันว่า สร้างขึ้นในสมัยที่นครปฐมยังเป็นเมืองศรีวิชัย ของอาณาจักรทวารวดี พระเจ้าอโศกมหาราชแห่งชมพูทวีปทรงส่งทูตมาเผยแพร่พุทธศาสนาในสุวรรณภูมิ มีการสร้างพระเจดีย์ใหญ่ขึ้นเพื่อประกาศความยิ่งใหญ่ของพระพุทธศาสนา โดยบรรจุพระบรมสารีริกธาตุที่พระเจ้าอโศกขุดพบในอินเดีย และแจกจ่ายให้สมณทูตที่ไปเผยแพร่ศาสนาในเมืองต่างๆนำไปด้วย พระปฐมเจดีย์องค์แรกนี้ สร้างเป็นทรงบาตรคว่ำ สูง ๑๘ วา ๒ ศอก สันนิษฐานว่าสร้างราว พ.ศ. ๑๑๐๐ หรือหลังจากนั้นไม่นาน
ต่อมาพระปฐมเจดีย์องค์นี้ก็ผุพังไปกลายเป็นเนินดินขนาดใหญ่ จนราว พ.ศ. ๑๘๐๐ กว่าๆ เจ้าศรีศรัทธารัตนมณีลังกาทวีป เจ้านายพระองค์หนึ่งในราชวงศ์พระร่วงแห่งกรุงสุโขทัย ซึ่งทรงธุดงค์ไปในถิ่นต่างๆ ผ่านอินเดียไปถึงลังกา เมื่อเดินทางกลับมาขึ้นจากเรือพบเนินดินที่เป็นพระปฐมเจดีย์องค์แรก จึงได้สร้างพระเจดีย์ขึ้นใหม่บนเนินนั้น เป็นเจดีย์ยอดปรางค์ สูง ๔๒ วา ๒ ศอก ก่อนจะกลับไปเป็นสังฆราชของกรุงสุโขทัยในรัชสมัยพญาเลอไท
พระปฐมเจดีย์องค์ที่ ๒ ของเจ้าศรีศรัทธาถูกทอดทิ้งอยู่ในป่าหลายร้อยปี จนเมื่อพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงผนวชก่อนครองราชย์ธุดงค์ไปพบเข้า ทรงเห็นว่าเป็นเจดีย์ใหญ่กว่าทุกเจดีย์ในประเทศไทยหรือในประเทศใกล้เคียง จึงนำกราบบังคมทูลรัชกาลที่ ๓ ให้ทรงบูรณะปฏิสังขรณ์ แต่พระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัวรับสั่งว่า “เป็นของรกอยู่ในป่า จะปฏิสังขรณ์ขึ้นมาก็ไม่เกิดประโยชน์อันใดนัก”
พระปฐมเจดีย์จึงถูกทิ้งร้างต่อไป จนเมื่อพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าฯ ขึ้นครองราชย์ ทรงระลึกถึงพระเจดีย์องค์ใหญ่ที่ธุดงค์ไปพบ จึงโปรดให้สร้างเจดีย์ทรงลังกาเป็นรูประฆังคว่ำขึ้น มีความสูงถึง ๑๒๐ เมตร เส้นผ่าศูนย์กลางรอบฐานวัดได้ ๖๐ เมตร ครอบเจดีย์องค์เดิมไว้ ทั้งยังโปรดให้จำลองเจดีย์องค์ที่ถูกครอบไว้ภายใน มาสร้างไว้ทางทิศใต้ขององค์พระปฐมเจดีย์ด้วย มีพระราชวินิจฉัยว่า พระเจดีย์องค์นี้เดิมเรียกกันว่า พระธมเจดีย์ สร้างขึ้นคราวที่สมณทูตในพระเจ้าอโศกมหาราชเดินทางมาเผยแพร่ศาสนา ส่วนเจดีย์ที่ทรงพบนั้น ศิลาจารึกหลักที่ ๒ กล่าวไว้ว่าพระมหาเถรศรีศรัทธาฯทรงแวะมาบูรณะพระเจดีย์องค์นี้ก่อนกลับกรุงสุโขทัย พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าฯจึงพระราชทานนามพระเจดีย์แห่งนี้ว่า พระปฐมเจดีย์
พระปฐมเจดีย์ที่สร้างขึ้นในสมัยรัชกาลที่ ๔ นี้ ได้ดึงดูดผู้คนให้เข้ามาอาศัยอยู่รอบด้าน ทรงขุดคลองเจดีย์บูชาจากองค์พระมาเชื่อมต่อคลองมหาสวัสดิ์ ทำให้การเดินทางไปนมัสการและการนำสินค้าไปขายได้สะดวกขึ้น ในสมัยรัชกาลที่ ๕ ได้สร้างทางรถไฟสายใต้ผ่านใกล้องค์พระ ขณะนั้นราษฎรในย่านใกล้เคียงนี้นิยมไปนมัสการพระแท่นดงรังที่กาญจนบุรี จึงเปลี่ยนมานมัสการองค์พระปฐมเจดีย์ที่เดินทางได้สะดวกกว่า
ในสมัยรัชกาลที่ ๕ สมเด็จฯกรมพระยาดำรงราชานุภาพ ทรงกล่าวถึงตลาดในบริเวณองค์พระปฐมเจดีย์ว่า
“ตลาดพระปฐมเจดีย์ ตั้งอยู่ ๒ ฟากคลองเจดีย์บูชาตั้งแต่วัดพระปฐมลงไป ยาวตามลำน้ำลงไปประมาณ ๑๐เส้น ปลูกเป็นโรงจาก เครื่องผูกบ้าง เครื่องสับบ้าง ฝั่งละ ๒ แถว มีทางเดินกลางกว้างประมาณ ๔ ศอก มีทั้งโรงบ่อน โรงสุรา ตลาดของสดเบ็ดเสร็จอยู่ในนั้น นับเป็นตลาดสำคัญในหัวเมืองแห่งหนึ่ง เหตุว่าเป็นที่มีการค้าขายมาก”
ในสมัยรัชกาลที่ ๖ ซึ่งโปรดให้เปลี่ยนชื่อเมืองจาก นครไชยศรี มาเป็น นครปฐม ได้ทรงตัดถนนรอบองค์พระและสะพานเจริญศรัทธาข้ามคลองเจดีย์บูชา สร้างพระราชวังสนามจันทร์เป็นที่แปรพระราชฐานและฝึกซ้อมเสือป่า ทำให้นครปฐมรุ่งเรืองยิ่งขึ้น
ต่อมาจากการศึกษาค้นคว้าของนักประวัติศาสตร์ มีความเห็นว่า ชื่อขององค์พระที่มีความหมายว่าเป็นพระปฐมเจดีย์แห่งแรกในประเทศไทยนั้นไม่น่าใช่ คำว่า พระปฐม น่าจะมาจากคำว่า พระประธม ซึ่งหมายถึงพระพุทธไสยาสน์ ซึ่งก็มีหลักฐานปรากฏว่ามีพระพุทธไสยาสน์ประดิษฐานอยู่บริเวณองค์พระปฐมเจดีย์
บ้างก็ว่า พระเจดีย์องค์นี้ เดิมขอมเรียกว่า พระธม ซึ่งคำว่า ธม แปลว่าใหญ่ เช่นเดียวกับนครธม ซึ่งเป็นนครหลวง ไม่ได้หมายความเป็นปฐมเจดีย์ของย่านนี้
พระปฐมเจดีย์มีการบูรณะและตรวจความมั่นคงแข็งแรงตลอดมา ในปี ๒๕๔๙-๒๕๕๒ ก็มีการสำรวจภายในองค์พระที่มีช่องทางเดิน พบว่าโครงสร้างเป็นไม้ซุง รัดด้วยโซ่เส้นมหีมา ก่ออิฐถือปูน แม้กาลเวลาจะผ่านมากว่า ๗๐๐ กว่าปีแล้วที่มหาเถรศรีศรัทธาทรงสร้างไว้ ก็ยังมั่นคงแข็งแรง
พระปฐมเจดีย์ คงยังถือได้ว่าเป็นเจดีย์แห่งแรกของประเทศไทย จนกว่าจะมีการค้นพบหลักฐานว่ามีเจดีย์อื่นในประเทศไทยที่สร้างมาก่อนพระปฐมเจดีย์
