วัดพระพายหลวง ตั้งอยู่ใกล้ประตูเมืองด้านเหนือและอยู่ขนาบกับกำแพงเมืองชั้นนอก จัดเป็นโบราณสถานที่เก่าแก่เป็นโบราณสถานขนาดใหญ่มีความสำคัญเป็นอันดับสองรองจากวัดมหาธาตุ และมีความสำคัญต่อประวัติศาสตร์สุโขทัยอีกแห่งหนึ่ง เพราะมีสิ่งก่อสร้างในรูปแบบสถาปัตยกรรมและศิลปกรรมตั้งแต่ยุคเริ่มแรกของเมืองสุโขทัย และก่อสร้างเพิ่มเติมสืบต่อกันมาจนถึงสมัยสุโขทัยตอนปลาย ผังวัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า มีคูน้ำล้อมรอบ 3 ชั้น คูชั้นนอกเรียกว่า คูแม่โจน วัดพระพายหลวงเป็นศูนย์กลางของชุมชน โบราณสถานที่เก่าแก่ที่สุดของวัด คือ พระปรางค์ 3 องค์ เป็นปรางค์ประธานของวัด ก่อด้วยศิลาแลง ศิลปะเป็นแบบเขมร สมัยพระเจ้าชัยวรมันที่ 7 ด้านหน้าของวัดเป็นอาคารที่ประดิษฐานพระพุทธรูปปูนปั้น 4 อิริยาบถ คือนั่ง นั่ง นอน ยืน เดิน ซึ่งส่วนใหญ่ชำรุดแล้วประดิษฐานที่มณฑปและซุ้มเจดีย์ กลุ่มโบราณสถานตั้งอยู่ตรงกลางในพื้นที่ที่มีคูน้ำล้อมรอบ คูน้ำแต่ละด้านมีความยาวประมาณ ๖๐๐ เมตร สิ่งก่อสร้างที่เก่าแก่ที่สุดในวัดเป็นปรางค์ ๓ องค์ ปัจจุบันพังทลายลงเหลือเพียงฐาน ๒ องค์ และสมบูรณ์เพียงองค์ด้านทิศเหนือนั้นมีลักษณะของปราสาท และลวดลายปูนปั้นประดับเล่าเรื่องตามพุทธประวัติเหมือนกับที่ปรางค์ที่วัดมหาธาตุลพบุรี และที่ปราสาทปาลิไลย์ในเมืองพระนครหลวงของเขมร เป็นหลักฐานยืนยันว่า ในราวกลางพุทธศตวรรษที่ ๑๘ ชุมชนที่สุโขทัยมีวัฒนธรรมร่วมกับเขมรในสมัยพระเจ้าชัยวรมันที่ ๗ และมีความเกี่ยวข้องกับเมืองละโว้ (ลพบุรี) เมืองใหญ่ที่เป็นตัวแทนของวัฒนธรรมในที่ราบลุ่มแม่น้ำภาคกลาง ถัดจากปรางค์ ไปทางตะวันออก มีวิหาร มีเจดีย์ทรงเหลี่ยมแบบปิรามิด ประดับทุกด้านด้วยซุ้มพระพุทธรูปลดหลั่นเป็นชั้น ๆ ขึ้นไปเหมือนกับเจดีย์กู่กุดจังหวัดลำพูน ที่เจดีย์นี้มีหลักฐานการก่อสร้างทับซ้อนกันหลายสมัย เช่น มีส่วนเศียรและองค์ตอนบนของพระพุทธรูปปูนปั้นแบบหมวดวัดตระกวน ที่ชำรุดแล้วนำมาบรรจุไว้ในส่วนพระอุระของพระพุทธรูปปูนปั้นแบบสุโขทัยรุ่นหลัง(พระพุทธรูปสุโขทัยหมวดใหญ่) ซึ่งอยู่ในซุ้ม เป็นต้น ปัจจุบัน พระพุทธรูปปูนปั้นแบบหมวดวัดตระกวน จัดแสดงอยู่ในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติรามคำแหง สุโขทัย ทางด้านตะวันออกสุดของกลุ่มโบราณสถาน เป็นมณฑปประดิษฐานพระพุทธรูปสี่อิริยาบถ ได้แก่ นั่ง นอน ยืน และเดิน ซึ่งเข้าใจว่าน่าจะสร้างในสมัยหลังที่สุดในบรรดาโบราณสถานที่กล่าวมาแล้ว คือ ในสมัยสุโขทัยตอนปลาย