เมืองโบราณได้สร้างวิหารสุโขทัยขึ้น โดยอาศัยหลักฐานทางโบราณคดีต่อไปนี้ ลักษณะแผนผังของพระวิหารเอาแบบอย่างมาจากวิหารพระพุทธชินราช วัดพระศรีรัตนมหาธาตุ จังหวัดพิษณุโลกเป็นสำคัญ แต่เนื่องจากพระวิหารพระพุทธชินราชได้รับการปฏิสังขรณ์มาหลายสมัย เมืองโบราณจึงได้นำผังของวัดนางพญา เมืองศรีสัชชนาลัย ซึ่งมีลักษณะคล้ายคลึงกันมาเปรียบเทียบแล้วผสมผสานให้เป็นแบบดั้งเดิมขึ้น ส่วนลวดลายการตกแต่งทั้งภายในและภายนอกวิหารเป็นลวดลายที่ค้นแบบอย่างได้จากสุโขทัย ศรีสัชชนาลัย และเชียงแสน เครื่องประดับหลังคา ซึ่งได้แก่ ช่อฟ้า ตัวมกร บราลี กระเบื้องเชิงชาย กระเบื้องมุงหลังคา รวมทั้งกระเบื้องปูพื้นได้แบบจากของจริง ซึ่งขุดพบจากเตาสังคโลก ที่เมืองศรีสัชชนาลัย และตามวัดต่างๆ องค์พระธานถอดแบบมาจากพระพุทธรูปปางลีลา ที่ซุ้มทิศเหนือของวัดตระพังหลาง สุโขทัย ซุ้มกรอบที่ตั้งพระประธานได้แบบมาจากเจดีย์วัดป่าสัก เชียงแสน สดมภ์หัวเสารูปกลีบบัว ได้แบบอย่างมาจากวัดพระศรีรัตนมหาธาตุเชลียง ลายประดับกำแพงได้แบบมาจากวัดนางพญา ตามผนังมีภาพจำหลักหินชนวนอย่างในอุโมงค์พระวิหารวัดศรีชุม จังหวัดสุโขทัย นับได้ว่าวิหารแห่งนี้ เป็นที่รวบรวมลักษณะเฉพาะของสถาปัตยกรรมสุโขทัยไว้โดยครบถ้วน นอกจากนั้นบนลานหน้าวิหารสุโขทัยยังปูด้วยศิลาแลงตามแบบอย่างสุโขทัย