ตั้งอยู่ในใจกลางเมือง ตามแบบแผนความเชื่อในเรื่องจักรวาลแบบอินเดียโบราณ เป็นวัดที่มีความสำคัญประกอบด้วยเจดีย์ประธาน วิหาร มณฑป โบสถ์ และเจดีย์รายจำนวนมากถึง ๒๐๐ องค์
          เจดีย์ประธาน ซึ่งตั้งเด่นสง่างามมีลักษณะเป็นเจดีย์ทรงดอกบัวตูมถือว่าเป็นสถาปัตยกรรมที่แสดงถึงเอกลักษณ์ของศิลปะสุโขทัยโดยแท้ แต่คงมิได้เป็นรูปแบบแรกเริ่มเมื่อมีการสร้างวัดมหาธาตุขึ้น ของเดิมน่าจะมีลักษณะเช่นเดียวกับเจดีย์ทิศที่ตั้งอยู่บนฐานเดียวกัน และตั้งอยู่ตรงกลางของด้านทั้งสี่
          รายรอบเจดีย์ประธานเป็นเจดีย์ทิศจำนวน ๘ องค์ องค์ที่อยู่ตรงมุมทั้งสี่เป็นเจดีย์ที่มีอิทธิพลของศิลปะหริภุญไชย ล้านนา ส่วนเจดีย์ที่อยู่กึ่งกลางของด้านทั้งสี่เป็นเจดีย์ทรงปราสาทยอดแบบสุโขทัย ซึ่งมีลวดลายปูนปั้นแบบอิทธิพลศิลปะลังกา รอบ ๆ เจดีย์ประธานมีปูนปั้นรูปพระสาวกในท่าอัญชุลี เดินประทักษิณโดยรอบพระมหาธาตุ
          ในศิลาจารึกหลักที่ ๑ ได้บรรยายว่า "กลางเมืองสุโขทัยนี้มีพิหาร มีพระพุทธรูปทอง มีพระอัฏฐารส มีพระพุทธอันใหญ่ มีพระพุทธอันราม" พระพุทธรูปทอง เข้าใจโดยทั่วไปว่าหมายถึงหลวงพ่อโตของชาวเมืองเก่า(ตำบลเมืองเก่า เป็นตำบลในพื้นที่เมืองโบราณสุโขทัย) ที่ประดิษฐานอยู่ที่วิหารหลวงในวัดมหาธาตุ เมื่อต้นรัตนโกสินทร์ พระบามสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกโปรดเกล้าฯให้อัญเชิญโดยล่องแพไปไว้ที่วิหารหลวงวัดสุทัศน์เทพวราราม กรุงเทพมหานคร ต่อมาพระบาทสมเด็จพระพุทธเลิศหล้านภาลัยได้พระราชทานนามว่า พระศรีศากยมุนี พระพุทธรูปนี้เป็นพระพุทธรูปสำริด เป็นพระพุทธรูปปางมารวิชัย อันเป็นแบบที่นิยมมากในสมัยสุโขทัย ที่วิหารหลวงในวัดมหาธาตุสุโขทัยจึงยังปรากฏแท่นฐานขนาดใหญ่ของพระพุทธรูปองค์นี้เหลือให้เห็น
          ส่วนพระอัฏฐารศ ที่กล่าวถึงในจารึกหมายถึง พระพุทธรูปยืน ที่มีขนาดใหญ่สูงราว ๑๘ ศอก ประดิษฐานภายในมณฑปที่ขนาบอยู่สองข้างของเจดีย์ประธาน
          ถัดจากวิหารหลวงไปทางตะวันออกเป็นวิหารสูง ที่เรียกชื่อเช่นนี้ เนื่องจากวิหารหลังนี้มีฐานก่ออิฐเป็นลักษณะฐานบัว มีความสูงประมาณ ๑.๕ เมตร เป็นรูปแบบสถาปัตยกรรมสมัยอยุธยา ซึ่งสร้างขึ้นในภายหลัง ทำให้พื้นที่ว่างระหว่างหน้าวิหารสูงกับกำแพงแก้วด้านหน้าเหลือเพียงพื้นที่แคบ ๆ ไม่ได้สัดส่วนกับความสูงของตัวอาคาร
          นอกจากนี้ภายในวัดมหาธาตุยังมีกลุ่มเจดีย์จัดแยกออกเป็นกลุ่มหนึ่งอยู่ทางทิศใต้ของเจดีย์พระธาตุ มีศูนย์กลางอยู่ที่เจดีย์ ๕ ยอด ซึ่งมีขนาดใหญ่เป็นที่ ๒ รองจากเจดีย์พระธาตุ