Tháng 4/2001, trong lúc đào đất khai thác quặng ti tan tại vùng đồi cát tại hai thôn Phương Diên và Mỹ Khánh (xã Phú Diên, huyện Phú Vang, Thừa Thiên Huế), các công nhân của công ty Khoáng sản TT-Huế bất ngờ phát hiện một công trình bằng gạch cổ xưa mang kiến trúc khác lạ nằm sâu dưới lòng đồi cát ven biển. Tháng 9/2001, chính quyền, cơ quan quản lý văn hóa cho tiến hành khai quật công trình cổ. Tháp cổ độc đáo khi ấy nằm vùi sâu trong lòng cát 5-7m, thấp hơn mực nước biển 3-4m và chỉ cách mép nước biển 120m.Cách 5m phía trước cửa chính của tháp có một bệ thờ được xây hình khối vuông bằng chất liệu gạch với kỹ thuật mài xếp liền khít cao 1,4m, cạnh dài 1,38m. Các nhà nghiên cứu cho rằng trước kia đây là nơi đặt tượng thờ.Tháp có bốn cửa, gồm một cửa chính và ba cửa còn lại là cửa giả. Trong lòng tháp có một Yoni (sinh thực khí nữ) bằng đá hình vuông, ở giữa còn một cái gờ hình tròn là chân đế cho một Linga (sinh thực khí nam).

Trải qua 12 thế kỷ, tháp bị vùi lấp trong cát. Hiện tại, công trình được bảo tồn tại chỗ trong một kiến trúc nhà kính nhằm hạn chế tối đa những tác động tiêu cực của môi trường thiên nhiên.

Cấu trúc còn lại của tháp Phú Diên gồm phần móng tháp, đế tháp, chân tháp, thân tháp, diềm mái và lòng tháp. Mặt bằng lớp dưới cùng của tháp dài 8,22 mét, rộng 7,12 mét. Phần trang trí ở chân tháp có hình người, những viên gạch nung xen kẽ ngang dọc.Cửa chính tháp quay về hướng Đông.    

Những cấu trúc gạch xây cho thấy tháp tòa tháp cũng sử dụng kỹ thuật xây tháp đặc biệt, không hề có mạch kết dính.

Tháp Phú Diên được công nhận là Di tích quốc gia ngay sau khi phát lộ vì những giá trị về văn hóa và lịch sử độc đáo. Tháng 10/2005, tháp được tiến hành bảo tồn tu bổ và hoàn thành vào tháng 5/2007.

Với những giá trị về văn hóa - lịch sử của công trình, ngày 15 tháng 3 năm 2022, Tổ chức Kỷ lục Việt Nam - VietKings chính thức có quyết định xác lập Kỷ lục số 2729/KLVN/2022 cho Tháp Chăm Phú Diên là Tháp Chăm cổ chìm sâu dưới cồn cát ven biển được khai quật và bảo tồn đầu tiên tại Việt Nam.

Kỷ lục sẽ được trao cho Bảo tàng Lịch sử Tỉnh Thừa Thiên Huế và UBND xã Phú Diên, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế vào thời gian tới.