เป็นวัดที่มีขนาดใหญ่ที่สุด ตั้งอยู่กลางเมืองมีกำแพงและคูล้อมรอบเขตวัด มีสระใหญ่ 3 สระและสระเล็กๆ วัดมหาธาตุเป็นศูนย์รวมงานทางศิลปะด้านสถาปัตยกรรมครั้งกรุงสุโขทัย มีพระเจดีย์มหาธาตุทรงพุ่มข้าวบิณฑ์ซึ่งเป็นศิลปะแบบสุโขทัยแท้เป็นเจดีย์ประธาน ล้อมรอบด้วยเจดีย์แปดองค์บนฐานเดียวกันได้แก่ ปรางค์ศิลาแลงตั้งอยู่ที่ทิศทั้งสี่ และเจดีย์แบบศรีวิชัยผสมลังกาก่อด้วยอิฐอยู่ที่มุมทั้งสี่ ภายในรายล้อมไปด้วยเจดีย์แบบต่างๆ ถึง 209 องค์ วิหาร 10 แห่ง มณฑป 8 ซุ้ม พระอุโบสถ 1 หลัง และตระพัง(สระน้ำขนาดเล็ก) 4 แห่งด้านตะวันออกของเจดีย์ประธานมีวิหารขนาดใหญ่เรียกว่า วิหาร11 ห้อง ปัจจุบันปรักหักพังเหลือแต่เสาศิลาแลงขนาดใหญ่ มีแท่นซึ่งเคยเป็นที่ประดิษฐานพระศรีศากยมุนี พระพุทธรูปสำริดที่ใหญ่ที่สุดในประเทศไทย ขนาดหน้าตักกว้าง 6.25 เมตรปัจจุบันประดิษฐานเป็นพระประธานในพระวิหารหลวง วัดสุทัศนเทพวราราม กรุงเทพมหานคร ด้านเหนือและใต้ของเจดีย์ประธานมีพระพุทธรูปยืนภายในซุ้มเรียกว่า "พระอัฎฐารส"