ตั้งอยู่หน้าศาลากลางจังหวัดสุโขทัย ซึ่งอยู่ริมฝั่งซ้ายของแม่น้ำยม มีถนนนิกรเกษมเป็นถนนเลียบฝั่ง เป็นปูชนียสถานที่สำคัญ ชาวเมืองสุโขทัยและชาวไทยในถิ่นอื่นให้ความเคารพสักการะบูชามาช้านาน 

          พระแม่ย่า คือเทวรูปสลักหินชนวนที่ชาวสุโขทัยเคารพนับถือว่าเป็นสิ่งศักดิ์สิทธิ์คู่บ้านคู่เมือง แต่เดิมนั้นประดิษฐานอยู่ที่ถ้ำแม่ย่า ในเขตเทือกเขาหลวง บริเวณหมู่บ้านโว้งบ่อ อำเภอคีรีมาศ จังหวัดสุโขทัย ถ้ำแม่ย่าเป็นเพิงชะโงกเงื้อมออกมาทางใต้ ลึกประมาณ 3 เมตรเศษ องค์พระแม่ย่าหันไปทางทิศใต้ ตามเงื้อมเขาที่ยื่นล้ำออกมา หลังเงื้อมผามีถ้ำตื้นๆ องค์พระแม่ย่าสสลักด้วยหินชนวนเป็นรูปสตรี มีเครื่องประดับอย่างสตรีโบราณสูงศักดิ์ ประทับยืนตรง แขนทั้งสิงข้างแนบกาย ทรงภูษาปล่อยชายไสวเป็นเชิงชั้นทั้งสิงข้าง ไม่สวมเสื้อหรือสไบ ใส่กำไลต้นแขน กำไลข้อมือและกำไลข้อเท้าทั้งสองข้าง สวมฉลองพระบาทปลายงอน พระพักตร์ยาว พระหนุเสี้ยม สวมมงกุฎเป็นชฎาทรงสูง ยอดศิลาส่วนเหนือมงกุฎแตกบิ่นหายไปเล็กน้อย ขนาดของพระรูปรวมแท่นหินจำหลักอยู่ในแผ่นหินเดียวกันมีความสูง 52 นิ้ว 

         ประวัติของพระแม่ย่านั้น ไม่มีหลักฐานยืนยันแน่นอนว่าเป็นใคร แต่ชาวสุโขทัยส่วนใหญ่เข้าใจว่า คือ นางเสือง พระราชชนนีของพ่อขุนรามคำแหงมหาราช ในสมัยนั้นกษัตริย์เปรียบเสมือนพ่อของคนทั้งเมือง ไพร่ฟ้าประชาชนเปรียบประดุจลูก จึงเรียกมารดาของพ่อขุนรามคำแหงมหาราชว่า "ย่า" การเรียกชื่อถ้ำแม่ย่า เขาแม่ย่า ชาวสุโขทัยจึงเรียกตามความเชื่อดังกล่าว

          ในปี พ.ศ. 2457 สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ เสด็จตรวจราชการหัวเมืองฝ่ายเหนือ ได้รับสั่งให้พระยารามราชภักดีเจ้าเมืองสุโขทัยสมัยนั้น อัญเชิญพระแม่ย่ามาไว้บนศาลากลาง (หลังเดิมปัจจุบันถูกรื้อทิ้งไปแล้ว) นอกจากนี้ยังมีการอัญเชิญย้ายไปประดิษฐาน ณ ศาลากลางอำเภอสวรรคโลกระยะหนึ่งในราวปี พ.ศ. 2475 เพราะในช่วงเวลานั้นทางราชการได้ตั้งเมืองสวรรคโลกเป็นจังหวัดแทนสุโขทัย ต่อมาเมื่อเปลี่ยนสุโขทัยเป็นจังหวัด จึงอัญเชิญพระแม่ย่ากลับมาไว้ที่เมืองสุโขทัยตามเดิม

         ในปี พ.ศ. 2496 นายเชื่อม ศิริสนธิ ผู้ว่าราชการจังหวัดสุโขทัยในสมัยนั้นได้ดำริให้สร้างศาลพระแม่ย่า เพื่อประดิษฐานองค์พระแม่ย่าอย่างถาวร โดยเลือกทำเลที่ตั้งบริเวณฝั่งแม่น้ำยมฝั่งตะวันออก บริเวณหน้าศาลากลางจังหวัดสุโขทัย เรียกว่า ศาลพระแม่ย่า ต่อมามีการจำลององค์พระแม่ย่าให้ประชาชนได้สักการะและปิดทองแทนองค์จริง เพื่ออนุรักษ์องค์จริงไว้ไม่ให้ชำรุด

          ศาลพระแม่ย่าได้รับการบูรณะซ่อมแซมหลายครั้ง และได้รับการจัดสร้างขึ้นใหม่ในปี พ.ศ. 2537 สมัยที่นายเกียรติพันธ์ น้อยมณี เป็นผู้ว่าราชการจังหวัด โดยกราบบังคมทูลเชิญสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา ฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จพระดำเนินมาวางศิลาฤกษ์ เมื่อวันที่ 12 กันยายน พ.ศ. 2537 และดำเนินการก่อสร้างเสร็จในปี พ.ศ. 2541 สมัยที่นายประพันธ์ ชลวีระวงศ์ เป็นผู้ว่าราชการจังหวัด มีการทำพิธีอัญเชิญพระแม่ย่าเข้าประดิษฐาน ณ ศาลพระแม่ย่าแห่งใหม่เมื่อวันที่ 6 มกราคม พ.ศ. 2541