ภายในวิหารหลวงประดิษฐานพระเจ้าตนหลวง พระพุทธรูปศิลปะล้านนาที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในภาคเหนือ พระพุทธรูปนี้มีตำนานเล่าว่า ครั้งหนึ่งเมื่อพระพุทธองค์พร้อมด้วยพระอรหันตสาวกเสด็จมายังเมืองภูกามยาว (ชื่อเดิมของเมืองพะเยา) ทรงประทับ ณ ดอยลูกหนึ่งข้างสระหนองเอี้ยงซึ่งมีหมู่บ้านโดยรอบ ได้มีช่างทองในหมู่บ้านทราบข่าวการเสด็จมาและได้จัดภัตตาหารถวายพระพุทธเจ้าและพระอรหันต์ พระพุทธองค์ได้พิจารณาเห็นว่าที่นี่มีความเหมาะสมที่จะประดิษฐานพระพุทธศาสนาจึงประทานเส้นพระเกศาแก่ช่างทองนำไปบรรจุในผอบ 7 ชั้น โดยประทานแก่พระยาอโศก ซึ่งได้มอบถวายพระอินทร์ แล้วให้พระวิษณุกรรมนำไปประดิษฐานในถ้ำใต้จอมดอย ทำให้ดอยแห่งนั้นได้ชื่อว่า ดอยจอมทอง ตำนานยังเล่าต่ออีกว่า ณ บริเวณแถบนี้พระพุทธเจ้ายังได้ทรมานพญานาคในหนองเอี้ยงและตรัสสั่งว่า เมื่อศาสนามาถึงครึ่งค่อน 5,000 ปี ให้พญานาคสร้างรากฐานของพระพุทธศาสนาลงที่หนองเอี้ยงและสร้างพระพุทธรูปขนาดเท่าพระพุทธเจ้ากกุสันธะ (ในภัทรกัปที่เราอยู่ตอนนี้มีพระพุทธเจ้าอยู่ 5 พระองค์ พระพุทธเจ้ากกุสันธะเป็นองค์แรก ส่วนพระสมณโคดมเป็นองค์ที่ 4) ดังนั้น เมื่อพระพุทธองค์เสด็จดับขันธ์ปรินิพพานแล้ว พญานาคจึงได้นำทองคำจากพิภพนาคมาไว้ที่ฝั่งหนองเอี้ยง ก่อนจะเนรมิตตัวเองเป็นบุรุษนุ่งขาวและเดินทางไปหาตายายผัวเมียที่ทำอาชีพเลี้ยงห่าน พร้อมกับนำทองคำนั้นมอบแก่สองตายายและให้สร้างพระพุทธรูปตามที่พระพุทธองค์ได้ตรัสสั่งไว้ ตายายจึงได้นำดังกล่าวไปใช้เป็นค่าจ้างในการถมหนองเอี้ยง จากนั้นจึงเริ่มก่อองค์พระเจ้าตนหลวงด้วยดินกี่หรืออิฐจนแล้วเสร็จ เมื่อสร้างเสร็จ พระเมืองตู้ได้ส่งราชสาส์น(จดหมาย,หนังสือ)ไปทูลพระเมืองแก้ว กษัตริย์ผู้ปกครองเชียงใหม่ในเวลานั้น ว่าการก่อสร้างพระเจ้าตนหลวงได้สำเร็จเสร็จสิ้นแล้ว พระเมืองแก้วจึงพระราชทานเงินและทองด้วยความศรัทธาของพระองค์เพื่อนำมาใช้สร้างวิหาร และทรงพระราชทานพระนามแก่พระพุทธรูปองค์นี้ว่า ‘พระเจ้าตนหลวงทุ่งเอี้ยงเมืองพะเยา’