มณฑปพระพุทธบาท ตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือของพระมหาธาตุ สร้างขึ้นใน พ.ศ. 2513 โดยน่าจะตั้งอยู่บนเนินดินที่เคยเป็นเทวาลัยฮินดูโบราณ ส่วนทางตอนเหนือของวัดพระมหาธาตุแห่งนี้  เคยเป็นของวัดอีกแห่งหนึ่งชื่อว่า วัดพระเดิม ซึ่งผนวกเข้ากับวัดพระมหาธาตุในสมัยอยุธยา เนินดินนี้มีความสำคัญอย่างมาก เชื่อกันว่ามีการค้นพบจารึกหินแกรนิตหายากซึ่งถูกเก็บรักษาไว้ในพิพิธภัณฑ์ของ  วัด จารึกนี้ได้รับหมายเลข 28 และมีตัวอักษรปัลลวะ 10 ตัว อายุต่างกันไปตามที่นักวิชาการต่าง ๆ ได้ระบุตั้งแต่พุทธศตวรรษที่ 10 – 14 โดยมีการตีพิมพ์ครั้งแรกโดย Étienne Lunet de Lajonquière            ใน พ.ศ. 2455 และต่อมา George Coedès กำหนดอายุจากอักษรตรงกับช่วงพุทธศตวรรษที่ 10 - 11 (อ้างใน Assavavirulhakarn and Skilling 2006 - 2007: 19) แม้ว่าจารึกนี้จะอ่านยาก แต่มีการเห็นพ้องต้องกันว่า คำว่า “-อิศวร” ที่อยู่ตอนท้ายเกี่ยวข้องกับพระศิวะและศาสนาฮินดู โดยซากของเทวาลัยโบราณยังคงมีอยู่และมองเห็นได้ที่เนินดินนี้ อาจมีอายุตั้งแต่พุทธศตวรรษที่ 12 - 14 รวมถึงฐานเสาหินปูนและองค์ประกอบสถาปัตยกรรมทำจากหินแกรนิตซึ่งมีการแกะสลักลวดลายดอกไม้และลูกปัดอย่างประณีต ลักษณะของส่วนประกอบทางสถาปัตยกรรมจากหินนี้ไม่พบในอารามพุทธศาสนา แต่เป็นเรื่องปกติในเทวาลัยฮินดูในคาบสมุทรภาคใต้ของประเทศไทยซึ่งดูเหมือนจะได้รับอิทธิพลจากทางตอนใต้ของอินเดีย โดยใช้วัสดุในท้องถิ่น งานแกะสลักเหล่านี้อาจจะทำโดยช่างฝีมือที่เดินทางมาจากทางตอนใต้ของอินเดียหรือช่างฝีมือในท้องถิ่นที่ได้รับการฝึกฝนจากอินเดีย ในขณะเดียวกัน โยนิ ซึ่งตอนนี้กลายเป็นส่วนหนึ่งของเนินดินที่สร้างขึ้นในทางตอนใต้ของวัด อาจย้ายไปจากเนินดินนี้ซึ่งเป็นที่ตั้งอยู่ของมณฑป พระพุทธบาท ชิ้นส่วนสถาปัตยกรรมหินโบราณส่วนใหญ่ถูกรวมเข้าไปอยู่ทางเข้าถ้ำที่สร้างขึ้นใหม่ใต้มณฑปพระพุทธบาทบนยอดเนินดิน แสดงให้เห็นถึงความต่อเนื่องของสถานที่ศักดิ์สิทธิ์นี้ ไม่ว่าจะเป็นศาสนาใดก็ตาม

          มณฑปพระพุทธบาท มีหลังคาแหลมซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของมณฑป ฐานของมณฑปแบ่งออกเป็น 2 ระดับ ได้แก่ ชั้นล่างกว้าง 5.30 เมตร และยาว 8.40 เมตร ขณะที่ชั้นบนกว้าง 4.15 เมตร และยาว 6.30 เมตร พระรัตนธัชมุนี (เมือง) พระครูกาแก้ว (สี) และพระยารณชัยชาญยุทธ (ถนอม บุญยเกตุ) ผู้ว่าราชการจังหวัดนครศรีธรรมราชเป็นผู้สั่งการให้ก่อสร้างวิหารนี้พร้อมกับรอยพระพุทธบาท

          การเข้าไปในมณฑปทำได้โดยใช้บันไดด้านทิศตะวันออกและตะวันตก ด้านตะวันออกมีบันไดโค้งคู่ 35 ขั้น ส่วนด้านตะวันตกมีบันไดตรง 27 ขั้น ฐานของมณฑปเป็นฐานสี่เหลี่ยม แต่ละด้านของผนังชั้นบนมีหน้าต่าง 2 บาน หน้าต่างเหล่านี้ประดับด้วยระเบียงดินเผา และมณฑปมีประตู 4 บาน

          บริเวณฐานของมรฑปพระพุทธบาทมีถ้ำจำลอง ซึ่งขุดลงไปในเนินดินและประดับด้วยชิ้นส่วนสถาปัตยกรรมจากเทวาลัยฮินดูโบราณ มีพระพุทธรูปปางมารวิชัยขัดสมาธิราบชื่อ “พระบุญมาก” อยู่ภายในถ้ำ ด้านหน้าถ้ำมีรูปปั้นพระพุทธรูปมารวิชัยสลักจากหินหยกสีขาวรูปแบบศิลปะพม่า

          มณฑปนี้สะท้อนแนวคิดการเคารพรอยพระพุทธบาท ซึ่งเป็นประเพณีโบราณที่มีต้นกำเนิดในอินเดียและได้รับความนิยมในศรีลังกาและเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการให้เกียรติพระพุทธเจ้าผ่านการสักการะรอยพระพุทธบาทและสัญลักษณ์มงคลโบราณที่ถูกประทับไว้ภายในเป็นการปฏิบัติทางศาสนาที่ลึกซึ้ง การก่อสร้างแบบจำลองของรอยพระพุทธบาทภายในสถานที่นี้ใช้เป็นสถานที่สำหรับการปฏิบัติธรรม และสนับสนุนประเพณีการสักการะรอยพระพุทธบาทซึ่งพบได้ในหลายดินแดนที่นับถือพุทธศาสนา เช่น ภูเขาสุมนกูฏ (ยอดเขาอดัม) ในศรีลังกา รอยพระพุทธบาทเป็น การยืนยันถึงการมีอยู่ของพระพุทธองค์ รวมถึงคติการเสด็จไปยังดินแดนต่าง ๆ ทำให้สถานที่นั้น ๆ มีความน่าเลื่อมใสด้วยการเสด็จมาของพระพุทธองค์ ด้วยเหตุนี้จึงช่วยส่งเสริมทวีความศักดิ์สิทธิ์ของหาดทรายแก้วและวัดพระมหาธาตุ

          มณฑปนี้ได้ถูกใช้ประโยชน์หลายประการ นอกจากเป็นสถานที่สำหรับการสักการะพระพุทธเจ้าแล้ว ยังเป็นสถานที่สำหรับการทำบุญและถวายอาหารแด่พระสงฆ์ในช่วงออกพรรษา ซึ่งเรียกว่า ตักบาตรเทโวโรหณะ ประเพณีนี้เป็นการระลึกถึงเหตุการณ์ที่พระพุทธเจ้าเสด็จกลับสู่โลกมนุษย์ โดยประทับรอยพระพุทธบาทไว้บนแผ่นดินหลังจากเสด็จโปรดพระพุทธมารดาของพระองค์ในสวรรค์ชั้นดาวดึงส์ มณฑปพระพุทธบาทจึงเป็นการส่งเสริมประเพณีทางศาสนาและการเผยแผ่ศาสนาในคาบสมุทรภาคใต้ของไทย ผู้ว่าราชการจังหวัด พระสงฆ์ และชาวบ้าน ต่างให้การสนับสนุนประเพณีอย่างมาก จึงทำให้การปฏิบัติเหล่านี้ยังคงดำรงอยู่สืบมาจนถึงปัจจุบัน