พระธาตุโพนทอง เป็นที่สักการบูชาของชาวขอม ในสมัยนั้น ถือเป็น “วัด” ที่มีความสำคัญ เนื่องจากมีพระพุทธรูปที่โดดเด่นและสวยงามอยู่หลายองค์ มีตำนานเล่าขานว่า สมัยพุทธกาล มีพระอรหันต์ จำนวน 8 รูป เดินทางมุ่งหน้าไปกราบนมัสการอัฐิธาตุพระสัมมาสัมพุทธเจ้า ยัง “ภูกำพร้า” (พระธาตุพนม) อ.พระธาตุพนม จ.นครพนม หลังจากที่เดินทางกลับมา เกิดอาการอาพาธหนัก ท่านรู้ว่า ตนเองจะมรณภาพ จึงได้ปักกลดนั่งสมาธิและได้ดับขันธ์ปรินิพพาน ณ บริเวณที่ก่อตั้งพระธาตุโพนทองแห่งนี้
หลังจากที่พระอรหันต์ ดับขันธปรินิพพาน ได้จัดพิธีฌาปนกิจพร้อมนำอัฐิบรรจุเอาไว้ในพระธาตุ โดยคนสมัยก่อน เคารพและศรัทธาในศาสนาพุทธเป็นอย่างมาก เจ้าเมืองในแต่ละที่ จะเดินทางมาร่วมทำบุญและก่อสร้าง “องค์พระธาตุ” เพื่อบรรจุอัฐิของพระอรหันต์ที่ปรินิพพาน โดยได้นำเอาพระพุทธรูปทองคำ เครื่องทองสัมฤทธิ์ และของมีค่าต่างๆ นำมาบรรจุไว้ในพระธาตุ โดยใช้เวลาในการก่อสร้างเพียง 7 วัน นอกจากนี้ในบริเวณใกล้เคียง ยังได้ก่อสร้างองค์พระธาตุเล็กไว้อีก 2 องค์ ทางทิศตะวันตก
ชาวขอมที่อาศัยอยู่ในละแวกนั้น ต่างพากันตั้งชื่อองค์พระธาตุที่บรรจุอัฐิพระอรหันต์ ว่า “พระธาตุโพนทอง” มีความหมายว่า “พระธาตุที่เนินทองคำสูง”
นอกจากนี้ ยังมีหลักฐานที่เกี่ยวเนื่องกับพระธาตุโพนทอง คือ เมืองหนองยาง เป็นเมืองขอม แบ่งออกเป็น 2 ฝ่าย คือฝ่ายเมืองแสน อยู่ทางทิศใต้ของเมืองหนองยาง ฝ่ายเมืองจันทร์อยู่ทางทิศตะวันตกของเมืองหนองยาง ซึ่งเป็นเมืองที่อุดมสมบูรณ์ด้วยโภคทรัพย์ และทรัพย์สมบัติในสมัยนั้น
เมืองหนองยาง ตั้งอยู่ทางทิศเหนือห่างออกไป 150 เส้น จากพระธาตุโพนทอง เช่นเดียวกับวัดบ้านโนนโพนสูง วัดบ้านหัน วัดบ้านแหน และวัดนาเมือง วัดเหล่านี้ตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกของพระธาตุโดยห่างออกไปประมาณ 80-90 เส้น ในปัจจุบันเป็นวัดที่เก่าแก่ เต็มไปด้วยซากปรักหักพังจำนวนมาก เพื่อรอการบูรณะ
สำหรับวัดบ่อหิน หรือที่เรียกว่า “ขุมเหล็ก” อยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ของพระธาตุโพนทอง 50 เส้น วัดโนนโพนทองน้อย ตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ ไป 50 เส้น วัดโบราณบ้านอีเลี่ยน ตั้งอยู่ทางทิศตะวันตก ไป 75 เส้น บ่อน้ำส่างโพธิ์ ที่ทำด้วยศิลาแรง ตั้งแต่ครั้งสมัยชาวขอม สร้างพร้อมกับพระธาตุโพนทอง ห่างออกไป 20 เส้น
กระทั่งปีพุทธศักราช 2452 ได้มีการก่อสร้างถนนสายอุดรธานี-สกลนคร โดยถนนได้ตัดผ่านไปบริเวณใกล้ที่ตั้งขององค์พระธาตุโพนทอง แต่ด้วยความโลภของผู้รับเหมา ช่าง และกรรมกร ได้มีการแอบทำลายพระธาตุองค์เล็ก ที่ล้อมรอบพระธาตุองค์ใหญ่ เพื่อเอาทองคำของมีค่า ออกมาจากพระธาตุ ปรากฏว่าสิ่งศักดิ์สิทธิ์ที่ปกปักรักษาองค์พระธาตุโพนทอง ได้แสดงอิทธิฤทธิ์ กลายเป็นหมีตัวใหญ่ ออกมาอาละวาดกัดผู้รับเหมาและพวกเสียชีวิต
ทุกวันขึ้น 15 ค่ำ เดือน 7 ชาวขอมโบราณที่อยู่ใกล้บริเวณพระธาตุโพนทอง จะมารวมตัวกัน เพื่อจุดบั้งไฟบูชาองค์พระธาตุ เป็นประจำทุกปี โดยเชื่อว่าจะเกิดสิ่งมหัศจรรย์ขึ้นรอบองค์พระธาตุ โดยจะมีลูกแก้วส่องประกายวนเวียนไปรอบองค์พระธาตุ ซึ่งชาวบ้านถือว่าเป็นสิ่งศักดิ์สิทธิ์ ทำให้ชาวบ้านพากันทำบั้งไฟจุดบูชาขอพรจากสิ่งศักดิ์สิทธิ์
นอกจากนี้ พระพุทธรูปทองคำ ได้ถูกอัญเชิญไปประดิษฐานยังสถานที่ต่างๆ แต่การเคลื่อนย้าย ทำให้เกวียนใช้บรรทุกหักไปถึง 7 เล่ม ในเวลาเดียวกัน ชาวบ้านหนองนาคำ ได้นำเอาพระพุทธรูปทองคำ จำนวน 3 องค์ใหญ่ หน้าตักกว้าง 50 เซนติเมตร สูง 100 เซนติเมตรไปประดิษฐานไว้ที่วัดศรีทัศน์ บ้านหนองนาคำ
ส่วนพระพุทธรูป 2 องค์ ถูกอัญเชิญไปประดิษฐานยังวัดต่างๆ ให้ชาวบ้านกราบไหว้สักการบูชา ในพื้นที่อำเภอหนองหาน แต่ปัจจุบันไม่มีใครทราบว่าอยู่ที่ใดบ้าง
ทุกวันนี้ พระธาตุโพนทอง ได้ทำการบูรณะซ่อมแซมใหม่ โดยเทศบาลตำบลหนองบัว อ.เมือง จ.อุดรธานี ได้จัดสรรงบประมาณ 1,234,000 บาท ปรับปรุงภูมิทัศน์โดยรอบ รวมทั้งสร้างหอพระธรรมชัย ไว้คู่กับองค์พระธาตุโพนทอง เพื่อยึดเหนี่ยวจิตใจชาวพุทธไว้ตราบนานเท่านาน
