แหล่งขุดค้นโบราณคดีวัดชมชื่นอยู่บริเวณด้านหน้าของพระวิหารวัดชมชื่นที่สร้างขึ้นมาในสมัยสุโขทัย แหล่งโบราณคดีนี้นี้ชี้ให้เห็นว่า ชุมชนโบราณอายุประมาณพุทธศตวรรษที่ ๙ ได้เข้ามาตั้งถิ่นฐานในพื้นที่ โดยพบหลุมฝังศพมนุษย์โบราณจำนวน ๑๕ โครงชุมชนนี้ต่อมาได้พัฒนามาถึงสมัยทวารวดีหรือพุทธศตวรรษที่ ๑๒-๑๖ โดยพบกลุ่มโบราณสถานก่อด้วยอิฐที่มีขนาดใหญ่ ๒ กลุ่ม และได้พบเครื่องถ้วยเชลียงจำนวนมากที่ระบุอายุตั้งแต่พุทธศตวรรษที่ ๑๗ เป็นต้นมา จนเข้าสู่สมัยสุโขทัยซึ่งเป็นสมัยการก่อตั้งโบราณสถานวัดชมชื่นในตอนปลายพุทธศตวรรษที่ ๑๘ ถึง ๑๙

วัดชมชื่นตั้งอยู่ริมแม่น้ำยม ห่างจากวัดพระศรีรัตนมหาธาตุเชลียงมาทางทิศตะวันออกประมาณ ๔๐๐ เมตร โบราณสถานที่สำคัญ ได้แก่ เจดีย์ประธานทรงกลมก่อด้วยศิลาแลง (ไม่รู้ว่าเรียกทรงระฆังหรือทรงลังกาได้หรือไม่ ในหนังสือนำชม ฯ  ๒๕๕๓ ไม่ระบุ) ด้านหน้าเจดีย์ประธานมีมณฑปที่ก่อเป็นห้องทึบเป็นที่ประดิษฐานพระพุทธรูปประทับนั่ง ด้านหน้าของมณฑปทำเป็นซุ้มจรนัม ๒ ซุ้ม ด้านหลังมีซุ้มจรนัมที่เคยประดิษฐานพระนาคปรก (ปัจจุบันไม่มี) หลังคามณฑปใช้ศิลาแลงก่อเหลื่อมเข้าหากันเป็นรูปจั่วแหลม ด้านหน้าของมณฑปต่อเชื่อมกับพระวิหารซึ่งก่อด้วยศิลาแลงขนาด ๖ ห้องมีมุขยื่นออกมาด้านหน้า ในหนังสือนำชมของกรมศิลปากรระบุว่า แม้รูปแบบของวิหารจะเป็นแบบศิลปะสมัยสุโขทัย แต่ฐานอาคารเดิมก่อด้วยอิฐซึ่งต่อมาได้สร้างวิหารศิลาแลงปิดทับ และยังพบว่ามีอาคารสี่เหลี่ยมที่มีซุ้มคล้ายปรางค์แบบเขมรอยู่ภายในองค์เจดีย์ประธาน จึงสันนิษฐานว่า เดิมเป็นปรางค์แบบเขมร แต่มาสร้างทับด้วยศิลปะ (ทรงลังกา) ของสุโขทัย หรือแสดงว่า โบราณสถานวัดชมชื่น (วิหารและเจดีย์) เคยสร้างเป็นแบบศิลปะเขมรมาก่อน ต่อมาภายหลังจึงมีการปรับเปลี่ยนให้เป็นแบบสุโขทัย