วัดพระพายหลวงตั้งอยู่ใกล้ประตูเมืองด้านทิศเหนือ โดยอยู่ขนานกับกำแพงเมืองชั้นนอก จัดเป็นโบราณสถานที่เก่าแก่ และมีความสำคัญมากต่อประวัติศาสตร์สุโขทัย เพราะมีสิ่งก่อสร้างในรูปแบบสถาปัตยกรรมและศิลปกรรมตั้งแต่ยุคเริ่มแรกของเมืองสุโขทัย และก่อสร้างเพิ่มเติมสืบต่อกันมาจนถึงสมัยสุโขทัยตอนปลาย

.

กลุ่มโบราณสถานตั้งอยู่ตรงกลางในพื้นที่ที่มีคูน้ำล้อมรอบ คูน้ำแต่ละด้านมีความยาวประมาณ ๖๐๐ เมตร โบราณสถานที่เก่าแก่ที่สุดเป็นปราสาทแบบเขมร ๓ องค์ ปัจจุบันพังทลายลงเหลือเพียงฐาน ๒ องค์ และที่สมบูรณ์เพียงองค์ด้านทิศเหนือ มีลวดลายปูนปั้นประดับเล่าเรื่องตามพุทธประวัติเหมือนกับปราสาทที่วัดพระศรีรัตนมหาธาตุ ลพบุรี และปราสาทปาลิไลย์ ในเมืองพระนครหลวงของเขมร เป็นเครื่องยืนยันว่า ในราวกลางพุทธศตวรรษที่ ๑๘ ชุมชนสุโขทัยมีวัฒนธรรมร่วมกับเขมรในสมัยพระเจ้าชัยวรมันที่ ๗ และมีความเกี่ยวข้องกับเมืองละโว้ (ลพบุรี) เมืองใหญ่ที่เป็นตัวแทนของวัฒนธรรมเขมร ในที่ราบลุ่มแม่น้ำภาคกลางของประเทศไทย

.

ถัดจากปราสาทไปทางตะวันออก มีวิหาร มีเจดีย์ทรงเหลี่ยมแบบปิรามิดประดับทุกด้านด้วยซุ้มพระพุทธรูปลดหลั่นเป็นชั้น ๆ ขึ้นไป เหมือนกับเจดีย์กู่กุด จังหวัดลำพูน ที่เจดีย์นี้มีหลักฐานการก่อสร้างทับซ้อนกันหลายสมัย เช่น มีพระพุทธรูปในซุ้มเป็นแบบหมวดวัดตระกวนอยู่ภายใน โดยถูกปิดและซ้อนทับอยู่ด้วยพระพุทธรูปสุโขทัยหมวดใหญ่อันเป็นที่รู้จักกันทั่วไป เป็นต้น

.

ทางด้านตะวันออกสุดของกลุ่มโบราณสถาน เป็นมณฑปประดิษฐานพระพุทธรูปในอิริยาบท เดิน ยืน และนอน ซึ่งเข้าใจว่าน่าจะสร้างในสมัยหลังที่สุดในบรรดาโบราณสถานที่กล่าวมาแล้ว คือในสมัยสุโขทัยตอนปลาย อายุราวพุทธศตวรรษที่ ๒๐