มีอาณาเขตครอบคลุมพื้นที่เมืองโบราณสุโขทัย ตั้งอยู่บนที่ราบเชิงเขา ลาดเอียงไป ทางตะวันออก มีเทือกเขาประทักษ์ทอดตัวเป็นแนวยาวทางด้านตะวันตก ต่อเนื่องมาจนถึงด้านทิศใต้ซึ่งเทือกเขานี้ถือเป็นแหล่งทรัพยากร ที่สำคัญของเมืองสุโขทัย โดยเป็นทั้งแหล่งของป่าแร่ธาตุ และแหล่งต้นน้ำที่นำมาใช้อุปโภค บริโภคภายในเมือง นอกจากนี้ยังมีลำน้ำสายเล็กๆ เรียกว่า คลองแม่ลำพัน ที่มีต้นกำเนิดจากจังหวัดลำปาง ไหลผ่านเมืองแล้วไปบรรจบกับแม่น้ำยม ที่อยู่ห่างออกไปทางทิศตะวันออกประมาณ 12 กิโลเมตร
       เมืองสุโขทัยในระยะแรกสันนิษฐานว่า ตั้งอยู่ทางด้านทิศเหนือโดยมีวัดพระพายหลวงเป็นศูนย์กลาง ต่อมาจึงได้มีการขยับขยายมาสร้างเมืองใหม่ทางด้านทิศใต้ดังที่ปรากฏให้เห็นในปัจจุบัน
       ผังเมืองสุโขทัยมีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยม เป็นกำแพงดิน 3 ชั้นคั่นด้วยคูน้ำ สันนิษฐานว่ากำแพงเมืองชั้นในสร้างขึ้นตั้งแต่แรกครั้งสร้างเมือง แต่คูเมืองชั้นกลางและชั้นนอกนั้นน่าจะสร้างในสมัยที่สุโขทัยอยู่ใต้อำนาจของอยุธยาแล้ว กำแพงเมืองสุโขทัยกว้างประมาณ 1,600 เมตร ยาวประมาณ 1,800 เมตร มีโบราณสถานสำคัญตั้งอยู่กลางเมือง และกระจายตัวทั่วทั้งเมือง นอกจากนี้ยังพบโบราณสถานใหญ่น้อยกระจายอยู่ทั่วไปภายนอกกำแพงเมืองทั้งสี่ทิศ รวมแล้วมากกว่าสองร้อยแห่ง
       กรมศิลปากรได้ตระหนักถึงคุณค่าและความสำคัญของเมืองโบราณสุโขทัย จึงได้มีการขึ้นทะเบียนโบราณสถานเพื่อคุ้มครองพื้นที่ไว้เป็นมรดกของชาติและเพื่อมิให้มีการบุกรุกอันเป็น การทำลายสภาพแวดล้อมและบรรยากาศของเมือง จึงได้มีการประกาศขึ้นทะเบียนขอบเขตพื้นที่ครอบคลุมโบราณสถานทั้งหมด 43,750 ไร่ หรือประมาณ 70 ตารางกิโลเมตร โดยประกาศในราชกิจจานุเบกษาเล่มที่ 92 ตอนที่ 112 วันที่ 17 มิถุนายน พุทธศักราช 2518 และก่อตั้งเป็นโครงการอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัยในปีถัดมา แล้วเปิดอย่างเป็นทางการ เมื่อวันอาทิตย์ ที่ 20 พฤศจิกายน พุทธศักราช 2531
       นอกจากนี้คณะกรรมการมรดกโลกแห่งอนุสัญญาว่าด้วยการคุ้มครอง มรดกโลกทางวัฒนธรรมและทางธรรมชาติ ได้ประกาศในการประชุม ณ กรุงคาร์เธจ ประเทศตูนีเซีย ให้อุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย ศรีสัชนาลัย และกำแพงเพชร เป็นมรดกโลก เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม พุทธศักราช 2534 นับเป็นมรดกโลกตามบัญชีในลำดับที่ 574 จากการดำเนินงานสำรวจและศึกษาโบราณสถานในเขตอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย พบโบราณสถานจำนวน 217 แห่ง