ตั้งอยู่ในบริเวณที่มีคูน้ำล้อมรอบนอกเมืองเก่าสุโขทัยทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือ เป็นวัดที่แปลกที่สุดเพราะผู้สร้างมีความคิดลึกซึ้งและมีความคิดก้าวไกล หากมองผิวเผินเพียงภายนอกจะมองเห็นมณฑปมีพระพุทธรูปประทับนั่งอยู่ตรงกลางเพียงองค์หนึ่ง แต่ที่แท้จริงมณฑปหลังนี้มีผนังหนามากก่ออิฐเป็นกำแพง 2 ชั้นมีบันไดเป็นขั้นๆ ขึ้นสู่ยอดมณฑปได้ เรามักเรียกกันว่า อุโมงค์วัดศรีชุม มีทางเข้าทั้งด้านซ้ายและด้านขวา แต่ทางด้านซ้ายเท่านั้นที่เข้าไปได้ถึงช่องลมด้านข้างและช่องหลังพระเศียรพระพุทธรูป หากออกไปแอบอยู่ทางช่องนี้แล้วพูดออกมาดังๆ ผู้ที่อยู่ในวิหารก็อาจเข้าใจว่าพระพุทธรูปพูดได้ 

          ภายในช่องกำแพงตามฝาผนังมีภาพเขียนสีเมื่อ 700 กว่าปีมาแล้ว แต่น่าเสียดายที่เลอะเลือนไปหมดไม่ทราบว่าเป็นภาพอะไร นอกจากนี้บนเพดานอุโมงค์ยังประดับด้วยหินชนวน ขีดเขียนเป็นภาพชาดกเรื่องพระชาติของสมเด็จพระสัมมาสัมพุทธเจ้า มีอักษรไทยโบราณจารึกรวมทั้งหมด 55 แผ่นปัจจุบันทางราชการได้ปิดประตูเข้าอุโมงค์นี้แล้ว เนื่องจากมีนักท่องเที่ยวที่ชอบขีดเขียนฝาผนังอุโมงค์ทำให้เกิดความเสียหายแก่โบราณสถาน

          เรื่องมณฑปนี้มีความเห็นแตกต่างกันไป คือ บ้างก็ว่าหลังคามณฑปคงเป็นหลังคามุมกระเบื้องเครื่องไม้ เพราะมีร่องรอยหลุมของเสารับโครงหลังคาไม้ บ้างก็ว่าคงจะเป็นหลังคาอิฐเพราะมีผนังกำแพงหนาเพื่อรองรับสิ่งก่อสร้างที่เป็นอิฐ รูปทรงเช่นเดียวกับกุฏิพระร่วงพระลือที่วัดพระศรีรัตนมหาธาตุเชลียง และอีกความเห็นหนึ่งคือ มณฑปใหญ่นี้อาจก่อสร้างไม่เสร็จก็ได้ 

          จุดเด่นของวัด คือ พระอจนะ เป็นพระพุทธรูปปูนปั้นขนาดใหญ่ปางมารวิชัย ขนาดหน้าตักกว้าง 11.3 เมตร พระชงฆ์ติดข้างผนังสองข้างของมณฑป และมีพื้นที่หน้าตักกว้างประมาณ 20 ตารางเมตรเท่านั้น จากศิลาจารึกหลักที่ 1 กล่าวไว้ว่า "…เบื้องตีนนอนเมืองสุโขทัยมีตลาดปสาน มี พระอจนะ มีปราสาท มีป่าหมากพร้าว ป่าหมากกลาง มีไร่ มีนา มีถิ่นถาน มีบ้านใหญ่บ้านเล็ก…"  สันนิษฐานกันว่า พระอจนะ ที่กล่าวในศิลาจารึกหลักที่ 1 ก็คือ พระอจนะที่ประดิษฐานอยู่ที่วัดศรีชุม ซึ่งอยู่ทางตอนเหนือของเมืองสุโขทัย

          นอกจากเป็นวัดที่มีความสำคัญในสมัยกรุงสุโขทัยแล้ว ในสมัยกรุงศรีอยุธยา สมเด็จพระนเรศวรมหาราชได้เสด็จมาทำ พิธีศรีสัจจะปานะการ (พิธีถือน้ำพิพัฒน์สัตยา) ที่วัดนี้ ปรากฏตามพงศาวดารว่า เมื่อกรุงศรีอยุธยาและหงสาวดีขาดไมตรีกัน นันทสูกับราชสงครามแม่ทัพมอญมาตั้งทัพอยู่ที่กำแพงเพชรและเลิกทัพกลับไป สมเด็จพระนเรศวรจึงรับสั่งให้พระยาไชยบูรณ์ ขุนพระศรีและพระหัวเมืองยกกองทัพตามตีนันทสูกับราชสงครามแตกพ่ายไป แล้วพระองค์ก็เสด็จยกทัพหลวงเข้าประทับที่เมืองเชียงทองซึ่งอยู่เหนือเมืองกำแพงเพชร เมื่อพระยาสวรรคโลกทราบดังนั้นก็ตั้งตัวเป็นใหญ่แข็งเมืองไม่ยอมตามเสด็จ สมเด็จพระนเรศวรมหาราชทรงทราบ จึงเสด็จยกทัพจากเมืองเชียงของเข้าตีเมืองสวรรคโลก เมื่อยกทัพถึงเมืองสุโขทัยทรงตั้งทัพหลวงที่บริเวณวัดศรีชุมนี้ และทรงมีรับสั่งให้เอาน้ำบ่อสยมภูวนารถและน้ำตระพังโพยสี มาตั้งบูชาสัตยาธิษฐานให้ท้าวพระยาแม่ทัพนายกองดื่ม รุ่งขึ้นจึงเสด็จยกทัพเข้าตีสวรรคโลก พิธีนี้เรียกว่า พิธีศรีสัจจะปานะการ (พิธีถือน้ำพระพิพัฒน์สัตยา)

          ความสำคัญอีกประการหนึ่งของวัดศรีชุม คือ ได้มีการค้นพบ ศิลาจารึกสุโขทัย หลักที่ 2 ณ ที่นี้ หลักฐานที่สำคัญยิ่งสำหรับการเข้าใจประวัติศาสตร์สุโขทัย เป็นหลักฐานเดียวที่กล่าวถึงสุโขทัยก่อนสมัยพ่อขุนศรีอินทราทิตย์และพ่อขุนรามคำแหงมหาราช จารึกนี้ว่าด้วยประวัติของพระมหาเถรศรีศรัทธาราชจุฑามณี ต้นตระกูลคือ พ่อขุนศรีนาวนำถมเจ้าเมืองสุโขทัยมีลูกชายชื่อ พ่อขุนผาเมืองเจ้าเมืองราด ได้ธิดาเจ้าเมืองขอมชื่อ สุขรเทวี เป็นชายา พร้อมทั้งได้พระขรรค์ชัยศรีและบรรดาศักดิ์อย่างขอมเป็น ศรีบดินทราทิตย์ กมรเตงอัญผาเมือง ต่อมาได้ร่วมกับพระสหายคือ พ่อขุนบางกลางหาว ยึดเอาเมืองสุโขทัยและศรีสัชนาลัยคืนจาก ขอมสมาดโขลญลำพง แล้วพ่อขุนผาเมืองก็ทรงประกอบพระราชพิธีบรมราชาภิเษกพ่อขุนบางกลางหาวให้เป็นเจ้าเมืองสุโขทัย รู้จักกันต่อมาในชื่อว่า ศรีอินทราทิตย์ 

          จึงเป็นต้นเค้าของประวัติศาสตร์สุโขทัยจากจารึกหลักที่ 2 นักวิชาการสมัยหลังเรียกการสืบเชื้อสายของคนสองกลุ่มนี้ว่า ราชวงศ์ผาเมือง และ ราชวงศ์พระร่วง