น้ำตกสายรุ้ง อยู่ทางทิศตะวันตกของเขาหลวง เป็นน้ำตกที่มีชื่อเสียง และสวยงาม เกิดจากต้นน้ำบริเวณเขาเจดีย์ มาเป็นลำธารคลองไผ่นาไหลลงมาทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ ทิ้งตัวลงมาจากผาหินที่สูง เมื่อถูกแสงแดดส่องลงมากระทบเข้ากับน้ำเป็นสายทำให้เกิดปรากฏการณ์ทางธรรมชาติเป็นสายรุ้งที่มีสีสันสวยงาม มีน้ำตกเฉพาะในช่วงฤดูฝนเท่านั้น ภายในบริเวณน้ำตกมีหน่วยพิทักษ์อุทยานฯ อยู่ห่างจากอุทยานฯ 50 เมตร ตัวน้ำตกมีทั้งหมด 4 ชั้น แต่ละชั้นสามารถลงเล่นน้ำได้ โดยต้องเดินเท้าจากหน่วยพิทักษ์อุทยานฯ ขึ้นไปตามธารน้ำไหล มีระยะทาง 800 เมตร 900 เมตร 1,160 เมตร และ 1,200 เมตร ตามลำดับ การเดินทาง จากตัวจังหวัดสุโขทัยใช้เส้นทางหลวงหมายเลข 101 เส้นสุโขทัย-คีรีมาศ พอถึงอำเภอคีรีมาศให้ตรงไปอีกประมาณ 18 กิโลเมตร จะมีทางแยกขวามือโดยผ่านอำเภอบ้านด่านลานหอยเข้าไป 13 กิโลเมตร แล้วมีทางแยกขวาอีกครั้งให้ตรงเข้าไปประมาณ 4 กิโลเมตร ถึงที่ทำการอุทยานฯ ช่วงระยะเวลาที่สามารถมองเห็นสายรุ้งตั้งแต่เวลา11.00-16.00 น.