Dựa vào các khai quật khảo cổ của các nhà nghiên cứu Pháp vào đầu thế kỷ 20, đã cho thấy kiến trúc đặc biệt của khu tháp này:

Khu đền thờ Đồng Dương rộng 155 mét và dài 326 mét, có tất cả ba cụm kiến trúc được tách ra khỏi nhau bằng các tường ngăn và kế tiếp nhau theo trục từ tây sang đông. Trong ba cụm đó, chỉ cụm ở phía tây và cụm ở phía đông là còn lại nhiều dấu tích kiến trúc và điêu khắc.

Cụm phía Tây

Cụm phía Tây gồm tháp thờ trung tâm, các tháp phụ và điện thờ nhỏ nằm dọc các chân tường bao quanh, tháp thờ chính là loại tháp tầng truyền thống của Chăm Pa gồm nền, thân, và các tầng. Quanh tường của nền tháp chính được trang trí bằng các hình tháp và hình đầu voi xen kẻ nhau.

Nội thất của tháp hình vuông và có hai ô khám lớn ở mặt bắc và mặt nam, trong gian thờ có một đài thờ lớn bằng đá - một trong những tác phẩm điêu khắc lớn đẹp và có nhiều giá trị về Phật giáo.

Ngoài ngôi tháp thờ chính trong cụm phía tây này, còn có dấu tích của các kiến trúc khác như tháp Nam, tháp Bắc, tháp Tây Nam, tháp Tây Bắc, tháp Trung tâm, các miếu thờ nhỏ quanh các chân tường, các ngôi nhà dài, tháp cổng,...

Cụm Trung tâm

Tại cụm Trung tâm, kiến trúc đã đổ nát gần hết, chỉ để lại dấu tích các bức tường, thềm cửa,...Một trong những kiến trúc quan trọng nhất của cụm phía đông này là ngôi nhà dài, chạy theo hướng đông - tây, và mở hai cửa ra vào ở hai đầu hồi đông và tây. Gian nhà được chiếu sáng bằng hai dãy cửa sổ ở hai phía tường dài, mặc dầu không để lại nhiều dấu tích kiến trúc và điêu khắc như ở cụm phía Tây, nhưng một số tượng môn thần - Dvarapala bằng đá là những tượng môn thần đẹp nhất, gây ấn tượng nhất không chỉ của Đồng Dương mà còn cả lịch sử nghệ thuật Chăm Pa.

Cụm phía Đông

Tại cụm phía Đông, là khu kiến trúc có chức năng như một tu viện Phật giáo thực thụ, tại cụm này ngoài ngôi nhà dài không có một dấu tích ngôi tháp nào, gian nhà dài được dựng trên hai dãy tám cột, có hai cột chính lớn, các cột đều bằng gạch và đều vuông.

Đài thờ Vihara nằm ở cụm này có tượng Phật Thích Ca Mâu Ni, mặt trước của bệ tượng phật được trang trí một nhân vật có bốn đầu và tám tay, ngự bên trên là tượng Phật ngồi hai chân thõng xuống và hai bàn tay để lên hai đầu gối, xung quanh tượng Phật có các tượng đá nhỏ thể hiện các tu sĩ đứng và quỳ cùng các vị La Hán.

• Ảnh chụp trong chuyến thám hiểm của đoàn Henri Parmentier năm 1902
• Ngôi đền chính
• Nhiếp ảnh gia Charles Carpeaux
• Henri Parmentier (trái) và nhà chụp ảnh Charles Carpeaux (phải)