Gần như nằm ngang hàng với hai tòa nhà lục giác chứa bia rùa đá và Đại Hồng Chung thời Minh Vương Nguyễn Phúc Chu, là tòa bảo tháp Phước Duyên. Mặc dù có sau bia và chuông của chúa Nguyễn Phúc Chu khá lâu (135 năm), nhưng tháp Phước Duyên vẫn có một vị trí đặc biệt trong kiến trúc và lịch sử của chùa Thiên Mụ. Trong dân gian Thuận Hóa sau này, cũng ít người để ý biết tháp có từ bao giờ, thậm chí người ta cũng dần dần quen gọi là tháp Thiên Mụ. Có cả những câu chuyện truyền khẩu mang tính dân gian, nói rằng tháp được xây dựng từ thời Gia Long, và để thờ cái vỏ trấu to bằng cái nón !!!
Thực sự, tháp được vua Thiệu Trị cho xây vào năm 1844, xong vào năm 1845, nhưng ý tưởng xây tháp để trấn cho Kinh thành, là của cha ông ta - vua Minh Mạng. Ban đầu, bảo tháp được gọi là
Từ Nhân tháp, nhưng khi làm xong, vua Thiệu Trị lại đổi thành
Phước Duyên bửu tháp.
Mặc dù trong văn bia
Ngự chế Thiên Mụ tự Phước Duyên bảo tháp bi, vua Thiệu Trị có nói việc xây tháp là để
"mở rộng duyên lành, phát nguồn ơn trạch khắp mọi chốn"; "tháp cao thì đạo càng cao, phước rộng thì duyên thêm rộng" - lời dịch từ văn bia (
Chùa Thiên Mụ - NXB Thuận Hóa), nhưng thực tế lại chỉ ra rằng, việc xây tháp lại không chủ ý về việc quảng bá đạo Phật. Vua Minh Mạng có ý xây bảo tháp tại quốc tự (chùa Thiên Mụ) là để trấn yểm cho Kinh thành, còn bản thân vua Thiệu Trị lại không phải người tin đạo Phật, như chính ông từng thừa nhận :
"Ta vốn chẳng phải kẻ sùng đạo, chỉ vì sửng nguyện của dân nên cho lập chùa mà thôi" - lời trong thơ Ngự chế ở bia chùa Diệu Đế - Huế.
Tháp Phước Duyên xây trên một cái nền hình bát giác, tầng dưới lớn, tầng trên thu nhỏ dần. Toàn thân tháp cao khoảng 21m (theo văn bia : tháp cao 5 trượng 3 thước 2 tấc xưa)

Tháp Phước Duyên
Từ khi được xây dựng đến náy, tháp được trùng tu nhiều lần.
- Năm 1867 (Tự Đức thứ 20) trùng tu lần đầu
- Năm 1899 (Thành Thái thứ 11) trùng tu. Hiện còn tấm bia nhỏ ghi lại việc trùng tu này, đặt ngay sau lưng tháp.
- Năm 1908 (Duy Tân thứ 2), tháp bị sét đánh, có tu bổ lại
- Năm 1959 tháp được đại trùng tu.
Tầng dưới cùng của tháp thờ Phật Thích Ca Mâu Ni, tầng thứ hai thờ đức Ca Diếp Phật, tầng thứ 3 thờ đức Câu Xá Na Mâu Ni Phật, tầng thứ 4 thờ đức Câu Lưu Tôn Phật, tầng thứ 5 thờ đức Tì Xá Phù Phật (một trong bảy đức Phật của thời quá khứ), tầng thứ 6 thờ đức Thi Khí Phật, tầng thứ 7, trên cùng, thờ đức Tỳ Bà Thi Phật.
Tương truyền rằng, những pho tượng Phật ở tầng trên cùng được đúc bằng vàng ròng, các đồ cúng lễ đều đúc bằng bạc nén. Vì thế, tầng trên cùng này có một cái khóa riêng, ngày xưa, chìa khóa vào tháp và chìa khóa lên tầng trên cùng do bộ Lễ cất giữ. Khi có việc cần vào tháp, phải có lệnh của
Ngự tiền văn phòng trong triều đình, bộ lễ mang bộ chìa khóa tới, cùng với vị tăng lữ chức sắc của chùa Thiên Mụ cùng mở của vào tháp. Những việc ấy là để đề phòng sự mất mát với các bảo vật trong tháp. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian từ năm 1940 đến 1942, vẫn xảy ra vụ mất cắp tượng Phật bằng vàng ròng tại đây. Điều lạ là, tượng Phật bị mất chính xác vào thời điểm nào, không ai biết được, vì cửa dưới của tháp vẫn nguyên vẹn, chỉ khi người ta phát hiện cửa tầng tháp trên cùng bị mở toang (cũng không ai biết nó bị mở từ khi nào, vì nó nhỏ, lại ở trên cao tít), người ta mới mở cửa tháp lên kiểm tra và phát hiện tượng vàng đã mất rồi -
theo sách cũ "Ba trăm năm thăng trầm của chùa Thiên Mụ" . Triều đình Bảo Đại khi đó không thể tìm ra thủ phạm.
Các pho tượng còn lại trong tháp đều là tượng đồng, nhưng nhà chùa muốn bảo tồn giá trị lịch sử gần 300 năm của các pho tượng này, nên đã cho đúc các pho tượng bằng thạch cao - theo đúng khuôn dạng của các pho tượng đồng - rồi mạ đồng bên ngoài, để đặt tại tháp, còn các pho tượng cổ đựa đưa vào thờ bên trong điện Bảo Hùng ở trong chùa (việc di chuyển này tiến hành năm 1984)

Tháp Phước Duyên, nhìn từ lối vào chùa bên tay trái.
Ngay sau lưng tháp Phước Duyên, trước cửa chính của Nghi Môn (cổng vào chùa) có một tấm bia đá, đó là bia của vua Khải Định dựng vào năm 1919 (năm Khải Định thứ 4), nói sơ lược về chùa Thiên Mụ.

Văn bia của vua Khải Định sau lưng tháp, trước Nghi Môn
__________________
Gác kiếm