พระปฐมเจดีย์ เดิมเรียกว่า พระธมเจดีย์ มีฐานะเป็นมหาธาตุหลวง เชื่อกันว่าอาจสร้างขึ้นในสมัยพระเจ้าอโศกมหาราช เนื่องจากมีลักษณะคล้ายพระสถูปสาญจี ต่อมาได้รับการบูรณะและเปลี่ยนยอดเป็นแบบปรางค์ ซึ่งสอดคล้องกับศิลาจารึกวัดศรีชุมที่กล่าวถึงการบูรณะโดยพระมหาเถรศรีศรัทธา หลังจากศึกษาพุทธศาสนาที่ศรีลังกา
พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงมีพระราชวินิจฉัยเกี่ยวกับประวัติของเจดีย์นี้ และพระราชทานนามใหม่ว่า พระปฐมเจดีย์ อย่างไรก็ตาม นักประวัติศาสตร์บางท่านเห็นว่าเจดีย์นี้เป็นมหาธาตุหลวงในยุคทวารวดี ไม่ใช่เจดีย์เก่าแก่ที่สุดของสุวรรณภูมิ ทั้งนี้ คำว่า ธม ในภาษาเขมรหมายถึง “ใหญ่” จึงอาจหมายถึง “พระเจดีย์ใหญ่”
นอกจากนี้ วัดพระปฐมเจดีย์ ยังเป็นที่บรรจุพระบรมราชสรีรางคารของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว
พระสรีรางคารพระนางเจ้าสุวัทนา พระวรราชเทวี และสมเด็จพระเจ้าภคินีเธอ เจ้าฟ้าเพชรรัตนราชสุดาฯ โดยบรรจุไว้ที่พระวิหารทิศเหนือขององค์พระปฐมเจดีย์
