วัดพระพายหลวง ปัจจุบันอยู่นอกกำแพงเมืองซึ่งมีวัดมหาธาตุเป็นศูนย์กลาง เป็นศูนย์กลางของเมืองสุโขทัยที่ตั้งขึ้นในระยะต้นโดยมีโบราณสถานที่เก่าแก่ที่สุดเป็นปราสาทแบบขอม ๓ องค์ ปัจจุบันเหลือเพียงองค์เดียวที่ยังมีรูปร่างเป็นปรางค์ ส่วนอีก ๒ องค์หักพังไปแล้ว  ภายหลังในสมัยพ่อขุนรามคำแหงมหาราช ศูนย์กลางของเมืองได้ย้ายไปอยู่ที่วัดมหาธาตุ วัดที่มีการสร้างปรางค์แบบขอมนั้นสร้างขึ้นเฉพาะในช่วงแรก ช่วงหลังสถาปัตยกรรมได้เปลี่ยนรูปแบบไปเป็นเจดีย์ทรงดอกบัวตูม หรือพุ่มข้าวบิณฑ์ ซึ่งเป็นเอกลักษณ์พิเศษของเมืองสุโขทัย วัดในสุโขทัยที่มีการสร้างปรางค์แบบขอมในช่วงเวลาเดียวกันกับวัดพระพายหลวง มีที่วัดศรีสวาย เป็นปรางค์ ๓ องค์เช่นเดียวกัน แต่ที่วัดศรีสวายมีหลักฐานว่าเคยเป็นเทวสถานก่อนที่จะดัดแปลงให้เป็นวัดในศาสนาพุทธ (ดูใน central26)

วัดพระพายหลวง มีลักษณะเป็นปรางค์สามองค์ ล้อมรอบด้วยคูน้ำชั้นในเป็นรูปสี่เหลี่ยม ต่อมาในสมัยหลัง ๆ ได้มีการสร้างวิหารเพิ่มเติมทับลงไปบนคูน้ำด้านทิศตะวันออก ถัดออกมาจากคูน้ำด้านในเป็นคูน้ำรูปสี่เหลี่ยมอีก ๒ ชั้น ทำให้เมืองมีลักษณะล้อมรอบด้วยคูน้ำรูปสี่เหลี่ยมเกือบจัตุรัสถึง ๓ ชั้น ลักษณะเมืองที่มีคูน้ำรูปสี่เหลี่ยมเกือบจัตุรัสซ้อนกัน ๓ ชั้นนี้ได้สร้างที่เมืองใหม่วัดมหาธาตุเช่นกัน กลุ่มโบราณสถานที่วัดพระพายหลวงแสดงถึงการสร้างเพิ่มเติมหลายสมัย สมัยแรกสิ่งก่อสร้างมีของลักษณะศิลปะสมัยลพบุรี (ปรางค์) ศิลปะสมัยหริภุญไชย พบที่เจดีย์ทรงเหลี่ยมแบบปิรามิดประดับทุกด้านด้วยซุ้มพระพุทธรูปลดหลั่นเป็นชั้น ๆ เจดีย์นี้มีหลักฐานว่าสร้างซ้อนทับกันหลายสมัย รวมทั้งพระพุทธรูปในซุ้มก็มีรูปแบบของสมัยสุโขทัยหมวดใหญ่มาปิดทับพระพุทธรูปสมัยแรกที่เรียกว่าหมวดวัดตระกวนด้วย