Раскопки, проводимые непосредственно у храма показывают, что на этом месте в XI-XIII вв. н.э. стоял древний кхмерский монастырь. И когда король Сетхатхират переместил столицу Лаоса из Луанг Прабанга во Вьентьян в середине XVI века, он приказал воздвигнуть храм Тхат Луанг на месте этого монастыря. Строительство было начато в 1566 году, и в течение четырех лет вокруг ступы были воздвигнуты храмы: по одному в каждом углу. В настоящее время из них сохранились только два — Wat That Luang Neua (Ват Тат Луанг Неу) на севере и Wat That Luang Tai (Ват Тат Луанг Тай) на юге.

Центральная Ступа Тхат Луанга увенчана скульптурой в виде цветка. Высота храма 45 метров, его стены украшены священными буддистскими письменами. За стенами вдоль входа в храм стоят классические кхмерские скульптуры. Верующие, приходящие в храм для молитв иногда приклеивают к стенам рисовые шарики, так они выражают свое уважение духу короля Сетхатхирата.