วัดมหาธาตุ เป็นวัดหลวงโบราณที่สำคัญและมีขนาดใหญ่ของกรุงสุโขทัยมาแต่อดีต ตั้งอยู่ในใจกลางเมือง ในเขตอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย ใกล้กับวัดตระพังเงิน และเนินปราสาท สร้างในสมัยพ่อขุนศรีอินทราทิตย์ นับเป็นโบราณสถานที่สำคัญและมีสิ่งปลูกสร้างมากที่สุดของสุโขทัย โดยมีเจดีย์รายนับได้ถึง 200 องค์

        ภายในมีโบราณสถานที่สำคัญ ประกอบด้วย


        พระมหาธาตุเจดีย์ เป็นเจดีย์ประธานทรงดอกบัวตูม หรือทรงพุ่มข้าวบิณฑ์ ซึ่งเป็นเอกลักษณ์ของศิลปะสุโขทัย และพบเห็นได้ที่เมืองบริวารอื่นๆ เช่น เมืองกำแพงเพชร ได้แก่ วัดวังพระธาตุ วัดกะโลทัย และวัดเจดีย์กลางทุ่ง เป็นต้น ยอดเจดีย์ประธานเป็นรูปดอกบัวตูม รองรับด้วยชั้นแว่นฟ้าทั้งสาม รายรอบด้วยเจดีย์ทิศ จำนวน 8 องค์ ตั้งอยู่บนฐานเดียวกัน โดยบริเวณมุมทั้งสี่เป็นเจดีย์ทรงปราสาทห้ายอดแบบล้านนา ส่วนเจดีย์ที่อยู่กึ่งกลางของแต่ละด้านนั้น เป็นเจดีย์ทรงปราสาทแบบสุโขทัย ซึ่งมีลวดลายปูนปั้นแบบอิทธิพลศิลปะลังกา บริเวณฐานไพที ประดับด้วยปูนปั้นรูปพระสาวกในท่าอัญชุลี เดินประทักษิณโดยรอบ


พระวิหารหลวง ตั้งอยู่ด้านหน้าพระมหาธาตุเจดีย์ เป็นพระวิหารโถงใหญ่ขนาด 11 ห้อง เสาก่อด้วยศิลาแลง ท้ายพระวิหารปรากฎฐานชุกชี ซึ่งเคยเป็นที่ประดิษฐาน พระศรีศากยมุนี พระพุทธรูปสำริดขนาดใหญ่ ซึ่งพระมหาธรรมราชาลิไทย ทรงโปรดฯให้หล่อขึ้น เมื่อปี พ.ศ. 1905 ภายหลังได้อัญเชิญไปยังวิหารหลวงวัดสุทัศน์เทพวราราม กรุงเทพมหานคร ในสมัยรัชกาลที่ 1 แห่งกรุงรัตนโกสินทร์

       พระวิหารสูง ตั้งอยู่ด้านหน้าพระวิหารหลวง เป็นพระวิหารซึ่งสร้างขึ้นภายหลัง ศิลปะแบบอยุธยา ความสูงพระอุโบสถหมือนอย่างเช่นวัดในอยุธยา ก่อด้วยอิฐ เสาก่อด้วยศิลาแลง ภายในพระวิหารประดิษฐานด้วยพระพุทธรูปปูนปั้น ศิลปะอยุธยา เป็นประธาน


       พระอุโบสถ ตั้งอยู่ด้านข้างมณฑปด้านทิศเหนือ ฐานก่อด้วยอิฐ มีบันไดทางขึ้นด้านหน้าทั้งสองข้าง เสาก่อด้วยศิลาแลง ภายในประดิษฐานด้วยพระพุทธรูปปางมารวิชัยเป็นประธาน รอบพระอุโบสถปักด้วยเสมาหินชนวนอยู่โดยรอบ และได้พบจารึกลานทองที่พรอุโบสถแห่งนี้อีกด้วย


          มณฑปพระอัฏฐารศตั้งอยู่ด้านข้างทั้งสองของมหาธาตุเจดีย์ ภายในประดิษฐานพระพุทธอิริยาบถยืน ที่มีนามว่า พระอัฎฐารศ ความสูงราว 18 ศอก สร้างตามคติแบบลังกาวงศ์ ซึ่งสามารถพบได้ที่วัดอื่นๆ อีกเช่น วัดสะพานหิน และวัดมหาธาตุเชลียง


       เจดีย์ห้ายอด ตั้งอยู่ด้านข้างมณฑปด้านทิศใต้ เป็นเจดีย์ก่อด้วยอิฐ ประดิษฐานด้วยพระพุทธรูปางมารวิชัยอยู่ทั้งสามด้าน บริเวณฐานเจดีย์ประดับด้วยปูนปั้นรูปมารแบกของ ช้าง สิงห์ และรูปเทวดา เชื่อกันว่าเป็นเจดีย์บรรจุพระอัฐิของ พระมหาธรรมราชาลิไท