เมื่อสมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอกรมหมื่นเจษฎาบดินทร์เสด็จเถลิงถวัลยราชสมบัติ เป็นพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ ๓) จึงพระกรุณาโปรดเกล้าฯให้เจ้าพระยาศรีธรรมราชกับเจ้าพระยาพระคลังเป็นแม่กอง จัดสร้างต่อการก่อสร้างเริ่มเมื่อวันอังคาร ขึ้น ๑๑ ค่ำ เดือน ๑๒ (ตรงกับวันที่ ๓๐ ตุลาคม พ.ศ. ๒๓๗๐) แล้วเสร็จเมื่อวันพุธ ขึ้น ๑๕ ค่ำ เดือน ๗ (ตรงกับวันที่ ๒ พฤษภาคม พ.ศ.๒๓๗๑) ลักษณะขององค์พระสมุทรเจดีย์ที่สร้างขึ้นในสมัยรัชกาลนี้เป็นเจดีย์รูปสี่เหลี่ยมย่อมุมไม้สิบสอง ต่อมาได้มีผู้ร้ายลักลอบขุดองค์ระฆังลักเอาพระบรมธาตุที่บรรจุอยู่ภายในไป

สมัยรัชกาลที่ ๔ พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ช่างไปถ่ายแบบพระเจดีย์ที่กรุงศรีอยุธยามาจัดการก่อสร้างสวมทับพระเจดีย์รูปเดิมไว้ โดยลักษณะเป็นเจดีย์ทรงกลมวัดจากฐานล่างจนถึงยอดสูงสุด ๑๙ วา จากนั้นจึงอัญเชิญพระบรมสารีริกธาตุ ๑๒ องค์ จากพระบรมมหาราชวังมาบรรจุไว้แทนของเดิมที่สูญหายไป ในการนี้ได้โปรดฯให้สร้างศาลาเก๋งจีน หอเทียน หอระฆัง พระวิหารพร้อมด้วยพระพุทธรูปปางห้ามสมุทร กับหลักผูกเรือริมน้ำรอบองค์พระสมุทรเจดีย์ ฯลฯ สิ้นพระราชทรัพย์ในการก่อสร้าง ๕๘๘ ชั่งเศษ และในรัชกาลต่อมาก็ได้มีการทำนุบำรุง และบูรณะปฏิสังขรณ์พระสมุทรเจดีย์มาโดยตลอด

กรมศิลปากรได้ประกาศขึ้นทะเบียนพระสมุทรเจดีย์เป็นโบราณสถานของชาติ ในราชกิจจานุเบกษา เล่ม ๕๒ ตอนที่ ๗๕ วันที่ ๘ มีนาคม ๒๔๘๗ และเล่ม ๑๑๐ ตอนที่ ๑๘๖ วันที่ ๑๒ พฤศจิกายน ๒๕๓