วิหารพระทรงม้าเป็นอาคารมีหลังคาครอบบันไดทางขึ้นเพียงทางเดียวไปยังลานประทักษิณรอบองค์ระฆัง วิหารนี้ตั้งอยู่ทางทิศเหนือของพระบรมธาตุ ตัววิหารมีขนาดกว้าง 10.40 เมตร ยาว 11.10 เมตร และสูง 11.75 เมตร หลังคาวิหารสร้างจากไม้และมุงด้วยกระเบื้องดินเผา โดยออกแบบให้ใช้ร่วมกับวิหารเขียนทางด้านทิศเหนือ กำแพงอิฐที่ขนาบบันไดอิฐทางขึ้นพระบรมธาตุเจดีย์ได้รับการประดับด้วยประติมากรรมปูนปั้นนูนสูง แสดงภาพพุทธประวัติตอนสำคัญ ๆ ของพระพุทธเจ้าในสมัยพุทธกาล โดยตอนที่สำคัญที่สุดคือมหาภิเนษกรมณ์ หรือวันที่เจ้าชายสิทธัตถะทรงออกผนวช ละทิ้งพระราชวังอันสุขสบายและชีวิตเจ้าชายเพื่อแสวงหาการตรัสรู้และการหลุดพ้นทางจิตวิญญาณเพื่อมวลมนุษยชาติ ในภาพนี้มีเจ้าชายทรงม้ากันฑกะ ซึ่งมีเหล่าเทวดาช่วยอุ้มกีบเท้าของม้าไว้เพื่อไม่ให้เกิดเสียงดัง ฉากนี้เองที่เป็นที่มาของชื่อ วิหารพระทรงม้า อันหมายถึง พระผู้ทรงม้า ประติมากรรมชิ้นนี้ถือว่าเป็นประติมากรรมนูนสูง ที่ใหญ่ที่สุดในบรรดางานศิลปะลักษณะนี้ และเป็นหนึ่งในผลงานศิลปะที่โดดเด่นที่สุดในสมัยอยุธยา ตอนปลาย (พ.ศ. 2231 - 2310) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่มีการสร้างสรรค์ประติมากรรมส่วนใหญ่ของวิหารนี้ ประติมากรรมนี้ได้รับการศึกษาและชื่นชมจากสมเด็จฯ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ และสมเด็จฯ เจ้าฟ้ากรมพระยานริศรานุวัดติวงศ์ ซึ่งทั้งสองพระองค์ได้รับการยกย่องจากองค์การยูเนสโกให้เป็นบุคคลสำคัญของโลกและบุคคลสำคัญทางวัฒนธรรมนานาชาติ

       บันไดทางขึ้นลานประทักษิณสำหรับการเดินเวียนรอบองค์ระฆังของพระบรมธาตุเจดีย์ เพื่อบูชา พระบรมสารีริกธาตุและเทพเจ้าในวิหารแห่งนี้ ด้านข้างของบันไดทั้งสองฝั่งที่ขึ้นไปยังพระบรมธาตุเจดีย์ มีรูปปั้นของเหล่าเทวดาผู้พิทักษ์และสัตว์วิเศษต่าง ๆ เช่น จตุโลกบาล (เทพผู้ปกป้องโลกทั้ง 4 ทิศ) ยักษ์ สิงห์ นาค และครุฑ ทำหน้าที่เป็นสัญลักษณ์ในการปกป้องพระบรมสารีริกธาตุและบ่งบอกถึงการขึ้นไปยังอาณาจักรศักดิ์สิทธิ์ ที่สำคัญที่สุดคือรูปปั้นเทวดาผู้พิทักษ์คู่หนึ่งที่ตั้งอยู่ในระดับสูงสุด มีชื่อจารึกว่า ขัตตุคาม (กัตตาระคาม/ สกันทะ) ทางด้านซ้าย และรามเทพ (พระราม) ทางด้านขวา ซึ่งก่อให้เกิดเทวรูปผสมใหม่ที่เรียกว่า จตุคามรามเทพ ที่ได้รับความนิยมอย่างมากในประเทศไทยและต่างประเทศนับตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 2510 ด้านบนสุดของบันไดทางเข้าพระบรมธาตุเจดีย์มีประตูไม้สองบานที่แกะสลักอย่างประณีต โดยมีภาพเทพเจ้าปรากฏบนแต่ละบาน ภาพทางซ้ายสมเด็จฯ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ ทรงเชื่อว่าเป็นพระโพธิสัตว์อวโลกิเตศวร ส่วนทางขวาเป็นพระวิษณุ รูปปั้นทั้งหมดนี้สะท้อนถึงการผสมผสานระหว่างพุทธศาสนาเถรวาทและมหายาน ศาสนาฮินดู และความเชื่อพื้นบ้าน ซึ่งช่วยเสริมสร้างความศักดิ์สิทธิ์ของพระบรมธาตุเจดีย์