ตั้งอยู่เชิงสะพานป่าถ่าน ทางทิศตะวันออกของวัดพระศรีสรรเพชญ์ พงศาวดารบางฉบับกล่าวว่าวัดนี้สร้างในสมัยสมเด็จพระบรมราชาธิราชที่ 1 ต่อมาสมเด็จพระราเมศวรโปรดเกล้าฯ ให้อัญเชิญพระบรมสารีริกธาตุมาบรรจุไว้ใต้ฐานพระปรางค์ประธานของวัดเมื่อพ.ศ.1927 พระปรางค์วัดมหาธาตุถือเป็นปรางค์ที่สร้างในระยะแรกของสมัยอยุธยาซึ่งได้รับอิทธิพลจากปรางค์ขอม ชั้นล่างก่อสร้างด้วยศิลาแลงแต่ที่เสริมใหม่ตอนบนเป็นอิฐถือปูน สมเด็จพระเจ้าปราสาททองได้ทรงปฏิสังขรณ์พระปรางค์ใหม่โดยเสริมให้สูงกว่าเดิม แต่ขณะนี้ยอดพังลงมาเหลือเพียงชั้นมุขเท่านั้น จึงเป็นที่น่าเสียดายเพราะมีหลักฐานว่าเป็นปรางค์ที่มีขนาดใหญ่มากและก่อสร้างอย่างวิจิตรสวยงามมาก เมื่อพ.ศ. 2499 กรมศิลปากรได้ขุดแต่งพระปรางค์แห่งนี้ พบของโบราณหลายชิ้น ที่สำคัญคือ ผอบศิลา ภายในมีสถูปซ้อนกัน 7 ชั้น แบ่งออกเป็น ชิน เงิน นาก ไม้ดำ ไม้จันทร์แดง แก้วโกเมน และทองคำ ชั้นในบรรจุพระบรมสารีริกธาตุและเครื่องประดับอันมีค่า ปัจจุบันพระบรมสารีริกธาตุนำไปประดิษฐานไว้ที่พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ เจ้าสามพระยา สิ่งที่น่าสนใจในวัดอีกอย่างคือ เศียรพระพุทธรูปหินทราย ซึ่งมีรากไม้ปกคลุมเข้าใจว่าเศียรพระพุทธรูปนี้จะหล่นลงมาอยู่ที่โคนต้นไม้ในสมัยเสียกรุงจนรากไม้ขึ้นปกคลุมมีความงดงามแปลกตาไปอีกแบบ 

อุทยานประวัติศาสตร์พระนครศรีอยุธยามีบริการเครื่องโสตทัศนาจร สามารถฟังข้อมูลการบรรยายวัดพระศรีสรรเพชญ์ วัดไชยวัฒนาราม และวัดมหาธาตุ เป็นภาษาไทยและภาษาอังกฤษ สามารถเช่าได้ที่จุดบริการใกล้ป้อมจำหน่ายบัตรของอุทยานประวัติศาสตร์พระนครศรีอยุธยา โดยคิดค่าบริการเครื่องละ 150 บาท สำหรับชม 3 วัดดังกล่าว (ราคาไม่รวมค่าบัตรเข้าชมโบราณสถาน)