วัดมหาธาตุ ตั้งอยู่บริเวณกึ่งกลางของเมือง เป็นวัดที่มีความสำคัญมากที่สุด เปรียบดังวัดหลวงประจำราชธานีสุโขทัย ภายในวัดมีโบราณสถานมากมายประกอบด้วย เจดีย์ประธาน วิหาร มณฑป อุโบสถ(โบสถ์) และเจดีย์รายจำนวนมากถึง ๒๐๐ องค์

.

เจดีย์ประธานของวัด เป็นเจดีย์ทรงพุ่มข้าวบิณฑ์ หรือทรงยอดดอกบัวตูม อันเป็นรูปแบบเจดีย์ที่เป็นเอกลักษณ์ของศิลปะสุโขทัยโดยเฉพาะ รายรอบเจดีย์ประธานมีเจดีย์บริวาร จำนวน ๘ องค์ ได้แก่ เจดีย์ประจำด้าน(ทิศ)ทั้งสี่เป็นเจดีย์ทรงปราสาทแบบสุโขทัย ได้รับอิทธิพลจากศิลปะขอมและมีลวดลายปูนปั้นแบบอิทธิพลศิลปะลังกา ส่วนเจดีย์ประจำมุมทั้งสี่เป็นเจดีย์ทรงปราสาทห้ายอด ที่มีอิทธิพลของศิลปะพุกาม-หริภุญไชย-ล้านนา รอบ ๆ เจดีย์ประธานมีปูนปั้นรูปพระสาวกในท่าอัญชุลีเดินประทักษิณโดยรอบพระมหาธาตุ

.

ในศิลาจารึกหลักที่ ๑ ได้บรรยายว่า “...กลางเมืองสุโขทัยนี้มีพิหาร มีพระพุทธรูปทอง มีพระอัฎฐารศ มีพระพุทธรูปอันใหญ่ มีพระพุทธรูปอันราม...” นอกจากนี้ในศิลาจารึกวัดป่ามะม่วง ปี พ.ศ. ๑๙๐๔ สมัยพระมหาธรรมราชาลิไท ยังกล่าวถึงพระพุทธรูปสัมฤทธิ์ พระพุทธรูปทอง ที่ประดิษฐาน ณ กลางเมืองสุโขทัยด้วย พระพุทธรูปทองที่กล่าวถึงนี้ เข้าใจโดยทั่วไปว่าหมายถึง หลวงพ่อโต ของชาวเมืองเก่า ที่เคยประดิษฐานอยู่ภายในวิหารหลวงวัดมหาธาตุ ต่อมาพระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช รัชกาลที่ ๑ แห่งกรุงรัตนโกสินทร์โปรดเกล้าฯ ให้อัญเชิญล่องแพไปประดิษฐาน ณ วิหารหลวงวัดสุทัศน์เทพวราราม กรุงเทพมหานคร ซึ่งต่อมาพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ ๔ ได้พระราชทานนามว่า พระศรีศากยมุนี ปัจจุบันภายในวิหารหลวงวัดมหาธาตุ จึงยังปรากฏแท่นฐานขนาดใหญ่ของพระพุทธรูปองค์นี้เหลือให้เห็น ส่วนพระอัฎฐารศ ที่กล่าวถึงในจารึกหลักที่ ๑ หมายถึงพระพุทธรูปยืนที่มีขนาดใหญ่สูง ๑๘ ศอก ประดิษฐานภายในมณฑปที่ขนาบอยู่สองข้างของเจดีย์ประธาน

ถัดจากวิหารหลวงไปทางตะวันออกเป็นวิหารสูง ที่เรียกชื่อเช่นนี้เนื่องจากวิหารหลังนี้มีฐานสูงก่ออิฐเป็นลักษณะฐานบัว มีความสูงประมาณ ๑.๕ เมตร เป็นรูปแบบสถาปัตยกรรมสมัยอยุธยา ซึ่งสร้างขึ้นในภายหลัง ทำให้พื้นที่ว่างระหว่างหน้าวิหารสูงกับกำแพงวัดเหลือเพียงพื้นที่แคบ ๆ ไม่ได้สัดส่วนกับความสูงของตัวอาคาร

.

นอกจากนี้ภายในวัดมหาธาตุยังมีกลุ่มเจดีย์ จัดแยกออกเป็นกลุ่มหนึ่งอยู่ทางทิศใต้ของเจดีย์ประธาน มีศูนย์กลางอยู่ที่เจดีย์ห้ายอด ซึ่งมีขนาดใหญ่เป็นที่สองรองจากเจดีย์ประธาน ได้พบหลักฐานจารึกลานทองมีข้อความระบุเป็นที่น่าเชื่อว่าเจดีย์ห้ายอดนี้ เป็นที่บรรจุอัฐิของพระมหาธรรมราชาลิไท