Được xây dựng vào cuối thế kỷ 12, Tháp Đôi là công trình kiến trúc độc đáo gồm 2 tháp nằm cạnh nhau theo trục Bắc – Nam trong đó tháp Bắc cao 20m và tháp Nam cao 18m. Bởi hai tháp đứng gần như song song với nhau nên được gọi là Tháp Đôi. Cả hai ngôi tháp đều không phải là tháp vuông nhiều tầng theo truyền thống của tháp Champa cổ mà được tạo thành gồm 2 phần chính: khối thân vuông và phần mái tháp mặt cong. Vì vậy, thoạt nhìn ngôi tháp này trông giống với đền thờ của người Khơ-me thời kỳ Ăng-co thế kỷ 12. Nhận định này được các nhà nghiên cứu căn cứ vào hình tượng chim thần Garuda được bố trí ở 4 góc của diềm mái với hai tay giơ cao, chân chùng xuống như đang nâng đỡ mái tháp lên cao. Phần mái của tháp không phải là hệ thống các tầng thu nhỏ dần như các tháp Champa truyền thống mà là cả khối hình tạo bởi bốn mặt, mỗi mặt được chia thành sáu tầng bằng những đường diềm ngang, mỗi tầng chia thành năm ô trong đó ô chính giữa là lớn nhất có hình người ngồi thiền chân xếp bắt chéo lên nhau. Ở bốn góc của các tầng mái còn được tô điểm các hình rắn Naga 5 đầu.
Trong khi đó toàn bộ phần thân của tháp vẫn giữ nguyên hình dáng, cấu trúc, kiểu trang trí đặc trưng của tháp cổ Champa truyền thống: khối thân hình vuông, mỗi mặt tường bên ngoài được bố trí một cửa giả có vòm trên cao vút lên như những mũi lao, các cột ốp trơn nhẵn chạy dọc thân, giữa hai cột ốp là những đường khối chắc, khỏe, nhô cao, không còn dải hoa văn trang trí trên mặt ngoài của tường tháp... Phần chân tháp được tạo vòng đai bằng các khối đá lớn đỡ toàn bộ ngôi tháp, xen giữa là những hình voi, sư tử và hình người múa.
Trong hai ngôi tháp, tháp Bắc cao lớn hơn và ít bị xuống cấp hơn tháp Nam. Tháp Bắc được tạo dáng khá cân đối, phần thân và mái đều được xử lí tinh tế bằng những đường diềm hơi thắt lại làm cho bố cục kiến trúc thêm chặt chẽ. Cửa chính của tháp hướng về phía Đông, nhô ra phía trước bởi bốn lớp trụ, thu nhỏ dần ở phía lối vào. Tương ứng với các lớp trụ là bốn lớp vòm mái hình mũi lao nhọn, hai bên trang trí hoa văn đối xứng. Ba mặt tường còn lại có ba cửa giả lặp lại kiểu trang trí như cửa chính nhưng có kích cỡ nhỏ hơn. Mái tháp có cấu tạo nhiều tầng, nhỏ dần về phía trên. Vòng quanh diềm mái là 21 hình vũ nữ được chạm khắc tinh tế với những tư thế khác nhau trông rất sống động. Chính giữa phần ngăn cách mái và thân tháp được trang trí bằng hình tu sĩ ngồi thiền, hai bên có voi chầu đối xứng.
Tháp Nam có cấu trúc tương tự như tháp Bắc, nhưng ở phần diềm mái, thay vì các hình vũ nữ, hình khắc trang trí lại thể hiện một đàn hươu 13 con với những dáng vẻ rất khác nhau trông rất tinh nghịch và sống động.
Năm 2008, khu di tích Tháp Đôi đã được Nhà nước đầu tư tôn tạo gần như trả lại hình dáng ban đầu của tháp và trở thành một trong những điểm đến hấp dẫn nhất mỗi khi du khách về với thành phố biển Quy Nhơn. Đến nơi đây để chiêm ngưỡng những công trình kiến trúc nghệ thuật đã được các nghệ nhân tài hoa dựng lên từ nhiều thế kỉ trước, du khách như được đắm mình trong thế giới kì bí để hồi tưởng lại một thời văn minh của vương quốc Champa.