โบราณสถานที่วัดพระศรีรัตนมหาธาตุเชลียง ประกอบด้วยสิ่งก่อสร้างที่แบ่งแยกได้เป็นสองส่วน คือ ส่วนของปรางค์ประธานและพระวิหารหลวง ซึ่งล้อมรอบด้วยกำแพงแก้วที่ทำจากแท่งศิลาแลงลักษณะกลมปักชิดติดกันมีทับหลัง มีประตูเข้าออกที่ด้านหน้าพระวิหารหลวงและด้านหลังปรางค์ บนยอดซุ้มประตูเป็นปูนปั้นรูปพระโพธิสัตว์อวโลกิเตศวรสี่พระพักตร์วางอยู่บนกรอบซุ้มของเทพธิดาถัดลงมาเป็นรูปนางอัปสรร่ายรำ เมื่อออกประตูด้านหลังจะเข้าสู่บริเวณที่เป็นพระธาตุมุเตา มณฑปพระอัฏฐารศ วิหารสองพี่น้อง และกุฏิพระร่วงพระลือ บริเวณดังกล่าวนี้มีกำแพงแท่งศิลาแลงรูปสี่เหลี่ยมแบน ๆ ล้อมรอบ คงสร้างขึ้นภายหลังการสร้างกำแพงแก้วของปรางค์ประธาน

ปรางค์ประธานก่อด้วยศิลาแลงฉาบปูน ลักษณะสถาปัตยกรรมสมัยอยุธยาตอนปลาย มีลักษณะเป็นวิหารคต ๓ ชั้น ก่อผนังทึบและเจาะช่องแสง บริเวณเรือนธาตุด้านหน้ามีบันไดขึ้นองค์ปรางค์ได้ ภายในซุ้มโถงมีสถูปรูปดอกบัวตูมขนาดเล็กโผล่ขึ้นมาคล้ายถูกสร้างครอบทับ ผนังภายในพบร่องรอยลบเลือนของจิตรกรรมฝาผนัง จากการขุดค้นทางโบราณคดีพบว่า เมื่อแรกสร้างนั้นเป็นปรางค์ปราสาทที่มีอายุสุโขทัยตอนต้น โดยพบกระเบื้องเชิงชายรูปนางอัปสรและเทวดา รวมทั้งยอดซุ้มประตูที่มีลักษณะร่วมสมัยศิลปะเขมรแบบบายน ภายหลังได้มีการปรับเปลี่ยนให้เป็นปรางค์แบบไทย และได้รับการบูรณะปฏิสังขรณ์ครั้งใหญ่ในสมัยสมเด็จพระเจ้าบรมโกศ รูปทรงของปรางค์จึงสูงชลูดงดงามดังที่เห็นในปัจจุบัน

พระวิหารหลวงอยู่ด้านหน้าของปรางค์ประธานประดิษฐานพระพุทธรูปปูนปั้นปางมารวิชัยที่บูรณะใหม่ ข้างพระประธานมีพระพุทธรูปปางลีลาที่มีแผ่นหลังอยู่ทั้งสองข้าง ปัจจุบันเหลือองค์เดียว และทั้งสองข้างพระประธานอีกเช่นกันมีพระพุทธรูปยืนข้างละองค์ เนื่องจากพระพุทธรูปยืนก่อสร้างในตำแหน่งพื้นพระวิหารเดิมไม่ได้ยกขึ้นมาให้เท่ากับพื้นพระวิหารที่บูรณะใหม่ ทำให้พระพุทธรูปดังกล่าวเหมือนยืนอยู่ในหลุม ดูแปลก ๆ ชอบกล ผนังของพระวิหารหลวงเป็นผนังทึบ เจาะช่องแสงเป็นช่องยาว ๆ 

วัดพระศรีรัตนมหาธาตุเชลียง เป็นวัดที่มีความสำคัญและเป็นศูนย์กลางของเมืองเชลียง (ข้อมูลจากหนังสือนำชมอุทยานประวัติศาสตร์สุโขทัย ฯ ๒๕๕๓ และจากป้ายที่จัดแสดงไว้ในโบราณสถานของวัด)