อุทยานประวัติศาสตร์มีโบราณสถาน และโบราณวัตถุอยู่มากมาย สำรวจค้นพบแล้ว 134 แห่ง ที่สำคัญๆ ก็ได้แก่
วัดพระศรีรัตนมหาธาตุ หรือวัดพระบรมธาตุเมืองเชลียง หรือวัดพระปรางค์
ตั้งอยู่นอกกำแพงเมืองเก่าศรีสัชนาลัย ลงไปทางด้านใต้ประมาณ 3 กม. สิ่งสำคัญภายในวัด มีพระปรางค์องค์ใหญ่ก่อด้วยศิลาแลง ฐานสี่เหลี่ยมจตุรัสกว้าง 22.50 เมตร ด้านหน้าพระปรางค์มีบันไดขึ้นไปสู่ซุ้มประตูเข้าองค์ปรางค์ ซึ่งมีพระปรางค์องค์เล็กตั้งอยู่กลางห้อง เป็นที่ประดิษฐานพระบรมสารีริกธาตุ
วัดเจดีย์เจ็ดแถว
วัดเจดีย์เจ็ดแถวนี้ นับว่ามีความสวยงามมากกว่าวัดอื่นในเมืองสุโขทัย เพราะมีเจดีย์แบบต่างๆ กันมากมายเป็นศิลปะสุโขทัยแท้ก็มี เป็นศิลปะแบบศรีวิชัยผสมสุโขทัยก็มี นอกจากนี้ภายในเจดีย์บางองค์ยังมีภาพเขียนผนังอีกด้วย แต่ในปัจจุบันลบเลือนไปเกือบหมดแล้ว
วัดช้างล้อม
อยู่ในเขตตัวเมืองศรีสัชนาลัย เป็นวัดสำคัญของเมือง มีเจดีย์ทรงลังกาองค์ใหญ่เป็นหลักของวัด ที่ฐานเจดีย์มีช้างปูนปั้นยืนหันหลังชนผนังเจดีย์อยู่โดยรอบ จำนวน 39 เชือก และช้างที่อยู่ตาม มุมเจดีย์ทั้ง 4 ทิศ ตกแต่งเป็นช้างทรงเครื่องตัวใหญ่สวยงามกว่าช้างเชือกอื่นๆ โดยรอบเหนือฐาน เจดีย์จะมีซุ้มประดิษฐานพระพุทธรูปปางมารวิชัยทุกซุ้ม
วัดนางพญา
เป็นวัดที่มีลวดลายปูนปั้นงดงามมาก ปรากฏอยู่บนซากผนังวิหารด้านตะวันตกเฉียงเหนือ ซึ่งเป็น วิหารขนาดเจ็ดห้อง ภายในวิหารตามเสาทุกด้านมีเทพนมและลวดลายต่างๆ ทำด้วยสังคโลกไม่เคลือบ เจดีย์ของวัดก่อด้วยศิลาแลงสูงใหญ่ และมีสภาพสมบูรณ์รอบฐานเจดีย์ มีเสาโคมไฟโดยตลอด มีบันไดขึ้นไปบนเจดีย์
วัดสวนแก้วอุทยานใหญ่
อยู่ไม่ห่างจากวัดเจดีย์เจ็ดแถวนัก มีกำแพงศิลาแลงล้อมรอบ สิ่งสำคัญของวัดนี้ก็คือ เจดีย์ทรงลังกา ที่ตั้งอยู่บนฐานสี่เหลี่ยมจตุรัส ทำให้ดูแปลกตากว่าเจดีย์ทรงลังกาวัดอื่นๆ
วัดสวนแก้วอุทยานน้อย
หรือที่เรียกกันอีกชื่อว่า วัดสระแก้ว มีพระเจดีย์ทรงพุ่มข้าวบิณฑ์เป็นหลักของวัด ด้านหน้าของซุ้ม ประดิษฐานพระพุทธรูป ทางด้านทิศตะวันตกมีสระน้ำอยู่สระหนึ่งทำให้สันนิษฐานว่าวัดนี้คือ วัดแก้วราชประดิษฐานที่มีกล่าวถึงในพงศาวดารเหนือนั่นเอง
วัดเขาพนมเพลิง
ตั้งอยู่บนยอดเขาลูกเตี้ยๆ ของเมืองเก่าศรีสัชนาลัย สิ่งที่สำคัญของวัดนี้อยู่ที่ตัวพระเจดีย์ศิลาแลง และวิหารใหญ่ด้านหน้า ด้านหลังของเจดีย์มีมณฑปเล็กๆ หลังหนึ่งตั้งอยู่ ที่วิหารมีเสาศิลาแลงและ พระพุทธรูปซึ่งตั้งเป็นประธานแต่ได้ชำรุดทรุดโทรมไปตามกาลเวลา พระประธานในวิหารประทับ หันพระพักตร์ไปทางทิศตะวันออก เป็นพระพุทธรูปปางมารวิชัยสร้างด้วยศิลาแลงเป็นชั้นๆ นำมา ต่อกัน และตกแต่งพอกปูนภายนอกอีกทีหนึ่ง
วัดเขาสุวรรณคีรี
อยู่ทางทิศตะวันตก ห่างจากยอดเขาพนมเพลิง 200 เมตร และมีความสูงกว่ายอดเขาพนมเพลิง เล็กน้อย เป็นที่ตั้งของพระเจดีย์ที่มีรูปเป็นองค์ระฆังคว่ำใหญ่โตและสูงมาก ฐานของเจดีย์ทำสูงขึ้น ไปถึง 5 ชั้น มีบันไดศิลาแลงเตี้ยๆ สำหรับเดินขึ้นไปบริเวณฐานของเจดีย์ ที่ด้านหลังของเจดีย์ใหญ่มีวิหารน้อยและเจดีย์ขนาดเล็กๆ และตรงกำแพงแก้วชั้นในทิศตะวันตกเฉียงใต้ มีรูปยักษ์ปูนปั้น ขนาดใหญ่ และรูปสิงห์ รูปปูนปั้นเหล่านี้ชำรุดและล้มอยู่กับพื้นดิน ลักษณะของรูปยักษ์คล้ายรูปยักษ์ วัดช้างล้อมมาก สันนิษฐานว่า พ่อขุนรามคำแหงมหาราชทรงสร้างวัดนี้
วัดป่ากระสา
ไม่ปรากษประวัติความเป็นมา ชื่อปัจจุบันเป็นชื่อที่คนรุ่นหลังเรียก เนื่องจากเคยมีบ่อกระสาขึ้นอยู่จำนวนมาก ภายนวัดประกอบด้วยเจดีย์ทรงระฆังตั้งอยู่บนฐานสูง ด้านหน้ามีวิหารก่อด้วยศิลาแลง มีผนังเจาะช่องแสงเป็นซี่ลูกกรง เจดีย์รายจำนวน 8 องค์ก่อด้วยศิลาแลง และตั้งเรียงรายล้อมรอบด้วยแท่นศิลาแลงสี่เหลี่ยมผืนผ้าปักเรียงชิดติดกันเป็นรั้วหรือกำแพงวัด มีประตูเข้าออกวัดทั้งสี่ด้าน
วัดหลักเมือง
ปรากฏในหนังสือพระราชนิพนธ์ "เที่ยวเมืองพระร่วง" ของสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัวว่า "ข้าพเจ้าเชื่อว่าไม่ใช่เป็นวัดในพุทธศาสนาเป็นแน่ และมิใช่โบสถ์พราหมณ์ แต่จะเกี่ยวกับศาลผีหรือเทวดาอันใดอันหนึ่ง จึงได้เล่าต่อไปว่าบางทีจะเป็นหลักเมือง" ภายหลังได้มีการขุดแต่งและบูระณะโบราณสถานแห่งนี้ พบหลักฐานว่า น่าจะเป็นวัดในพุทธศาสนาเช่นเดียวกับโบราณสถานอื่นๆ
วัดอุดมป่าสัก
โบราณสถานส่วนใหญ่สร้างด้วยอิฐ มีศิลาแลงปนแต่จำนวนน้อย หันหน้าไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ เช่นเดียวกับวัดที่อยู่ในแนวแกนหลักของเมืองประกอบด้วยวิหารโถง 7 ห้อง หลังคาทรงมะนิลา ภายในประดิษฐานพระพุทธรูปปูนปั้นปางมารวิชัย อาสนสงฆ์อยู่ทางด้านขวาของพระประธาน ด้านหลังวิหารมีกลุ่มเจดีย์ประธานและเจดีย์รายมีกำแพงล้อมรอบ เจดีย์ประธานมีฐานเป็นรูปสี่เหลี่ยมสันนิษฐานว่าเป็นเจดีย์ทรงดอกบัวตูม หรือทรงพุ่มข้าวบิณฑ์ รอบเจดีย์ประธานมีเจดีย์รายประจำมุมและประจำทิศ ขนาดฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัส ยาว 3 เมตร รวม 8 องค์ นอกจากนี้ยังมีฐานเจดีย์ขนาดเล็กอยู่โดยรอบประมาณ 29 องค์ มีฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 1 เมตร เท่ากันทุกองค์ โบราณสถานแห่งนี้ดำเนินการขุดแต่บูรณะเมื่อ พ.ศ. 2830
ศูนย์ศึกษาและอนุรักษ์เตาสังคโลก (เตาทุเรียง)
ตั้งอยู่ที่บ้านเกาะน้อย อยู่เหนือเมืองศรีสัชนาลัยไปอีกประมาณ 4 กม. มีเตาเผาที่ขุดพบแล้วกว่า 500 เตา ในบริเวณยาวประมาณ 1 กม. ถือได้ว่าเป็นนิคมอุตสาหกรรมของเมืองศรีสัชนาลัยมีการขุดพบเครื่องสังคโลกทั้งในสภาพสมบูรณ์และแตกหักเป็นจำนวนมาก ลักษณะเตาเผาจะเป็น รูปยาวรีคล้ายประทุนเรือจ้างยาวประมาณ 7-8 เมตร
ศูนย์ศึกษาฯ ดังกล่าว ปัจจุบันมีอยู่ 2 อาคาร ซึ่งตั้งอยู่บริเวณเตาที่ใช้เป็นที่ศึกษา มีหมายเลขเตา ที่ใช้เรียกในการศึกษา คือ เตาที่ 42 และเตาที่ 61 ภายในตัวอาคารจะมีการตั้งแสดงโบราณวัตถุ เอกสารทางวิชาการ ตลอดจนวิวัฒนาการเครื่องถ้วยสมัยโบราณให้นักท่องเที่ยวชมอีกด้วย