Tháp Chiềng Sơ được đặt trên một thế đất đẹp có phong cảnh sơn thủy hữu tình, lại giống như hình người đang đứng đầu quay về Việt Nam, gáy quay về nước Lào vì thế người dân Chiềng Sơ hay nói “hua táng Keo, co táng Lao”. Tháp được xây dựng bằng nguyên liệu gạch, vôi, vữa, cát và mật mía. Gạch để xây tháp gồm 2 loại, gạch vồ và gạch chỉ, xây dựng theo hình bút tháp thân vuông, dưới to lên trên nhỏ dần, tháp có chiều cao là 10,50m (và phần ngọn bị gãy là 1,60m), nhìn từ xa tháp cao vút lên nền trời  xanh với những đường nét sắc sảo, thanh lịch của tháp càng tạo thế hiên ngang và uy nghi của công trình. Tháp Chiềng Sơ được bố cục chia làm 3 phần chính: Phần chân tháp; thân tháp và ngọn tháp. Xung quanh chân tháp ở 4 góc có đặt 2 con voi ở phía trước tháp và ở phía sau đặt 2 con chó, tất cả các con vật đều được bố trí đầu quay về  phía trước của tháp.

Chân tháp: hình vuông cao 2,20m dưới to, lên trên nhỏ dần và được chia thành 5 tầng, tầng 1 - tầng dưới cùng cao 0,60m, mỗi cạnh dài 0,53m, các tầng 2, 3 và 4 mỗi bậc cao 15cm, rộng 10cm, các góc của chân tháp là góc nhọn uốn cong tạo hình móc, từ tầng thứ 3 lên tầng thứ 4 khoảng cách  giữa hai tầng này là 30cm, lên tầng thứ 5 của chân tháp xây hình vuông, góc tròn, nhìn mặt cắt như hình bán nguyệt, giữa tầng thứ 4 và tầng thứ 5 có một đường chỉ thắt tạo thành một đường gờ nổi. Toàn bộ phần chân tháp không trang trí hoa văn, bên ngoài lớp gạch xây chân tháp còn được chát một lớp bằng vôi, cát và mật.

Thân tháp: toàn bộ kiến trúc của tháp cũng như trang trí hoa văn nổi bật nhất của tháp được thể hiện ở phần thân tháp. Phần dưới của thân tháp xây hình tròn, xung quanh trang trí hoa văn hình cánh sen cách điệu. Nổi bật là hình con rồng gồm 5 cặp được đắp nổi uốn mình, đầu và đuôi rồng chụm vào nhau tạo thành hình số tám, tất cả hoa văn đắp nổi, bố trí hài hòa xung quanh thân tháp. Những con rồng trang trí quanh thân tháp mang trên mình lớp vẩy đặc trưng không giống với bất cứ phong cách thể hiện rồng ở các thời kỳ lịch sử Việt Nam nào, rồng nhỏ như những con rắn mà văn hóa Ấn Độ giáo vẫn tôn thờ. Với đường nét kiến trúc mềm mại, hài hòa đến từng chi tiết nhỏ đã tạo cho người xem có sự cuốn hút đến lạ kỳ. Phần giữa thân tháp xung quanh trang trí hoa văn hình tròn nối tiếp (hoa văn chìm) và những đường gờ nổi nhỏ, ở giữa là một đường gờ nổi lớn tạo thành hai phần của thân tháp. Phần trên trang trí hình một tòa sen gồm 3 lớp, 2 lớp dưới các cánh sen lượn xuống, còn lớp trên trang trí hoa văn hình các ngọn lửa cách điệu, hình lưỡi mác, hình mặt trời và các hình hoa, lá, bên trong cánh sen và lưỡi mác có gắn những miếng gương nhỏ để khi mặt trời chiếu vào tỏa ánh hào quang tỏa ra xung quanh. Đến nay các nét chạm khắc cách điệu vẫn giữ được màu hồng non của đất nung, xen lẫn màu vàng của nhũ còn lấp lánh trên thân tháp khi có mặt trời chiếu rọi xuống tháp.

Ngọn tháp: gần như không trang trí hoa văn xây phẳng dạng hình ống lục lăng, đặc biệt phần chính giữa của ngọn tháp xây phình to ra lên trên thắt lại tạo hình cổ chai, trên miệng loe được trang trí như phần trên của thân tháp. Nhưng do thời gian cùng khí hậu nên những phần trang trí đã bị gãy, phần gãy xuống có hình dáng giống hình ngọn của tháp, có kích thước 1,60m.

Di tích kiến trúc nghệ thuật tháp Chiềng Sơ đã được Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch công nhận di tích cấp Quốc gia tại Quyết định 1255/QĐ-BVHTTDL ngày 14 tháng 4 năm 2011.