แผนผังของพระปรางค์มีลักษณะคล้ายคลึงกับพระปรางค์ของวัดมหาธาตุ จังหวัดลพบุรี และพระปรางค์วัดพุทไธสวรรย์ จังหวัดพระนครศรีอยุธยา ภายในคูหาปรางค์ประธานมีภาพจิตรกรรมเขียนบนผนังที่ฉาบด้วยดินดิบ เป็นรูปพระอดีตพุทธเจ้าและพุทธประวัติ ศิลปกรรมแบบสมัยอยุธยาตอนต้น สันนิษฐานว่าอาจจะได้รับการซ่อมแซมพร้อมกับองค์ปรางค์ในสมัยอยุธยาตอนกลาง (ประมาณพุทธศตวรรษที่ ๒๒)

หลักฐานโบราณสถานและศิลปะโบราณวัตถุภายในวัดมหาธาตุ แสดงให้เห็นถึงรูปแบบศิลปกรรมของแต่ละยุคสมัย อันเป็นเครื่องยืนยันถึงความเจริญรุ่งเรืองของวัดมหาธาตุในการเป็นศูนย์รวมจิตใจของพุทธศาสนิกชน สืบเนื่องมาตั้งแต่ครั้งโบราณจนถึงปัจจุบัน เป็นต้นว่า

• กำแพงศิลาแลงล้อมรอบพระปรางค์ มีทับหลังกำแพงสกัดจากหินทรายสีชมพูเป็นรูปพระพุทธรูปประทับนั่ง แสดงปางสมาธิอยู่ในซุ้มเรือนแก้วใบระกา อันเป็นลักษณะที่นิยมสร้างกันในศิลปะเขมรแบบบายน (ประมาณพุทธศักราช ๑๗๒๐–๑๗๖๐)
• วิหารหลวง อาคารก่ออิฐถือปูนรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ก่อสร้างขึ้นซ้อนทับฐานอาคารศิลาแลงบริเวณด้านหน้าพระปรางค์ภายนอกระเบียงคต เป็นที่ประดิษฐานพระพุทธรูปขนาดใหญ่จำนวน ๒ องค์ แสดงปางมารวิชัยประทับนั่งหันพระปฤษฎางค์ชนกัน ศิลปะแบบอยุธยาตอนต้น
• พระมณฑป อาคารก่ออิฐถือปูนย่อมุมไม้ยี่สิบ ผนังด้านในมีจิตรกรรมฝาผนังเป็นภาพพุทธประวัติ ตอน เสด็จโปรดพุทธมารดาบนสวรรค์ชั้นดาวดึงส์ และตอนมารผจญ ภายในพระมณฑปประดิษฐานรอยพระพุทธบาทสลักจากหินทรายแดง สันนิษฐานว่าสร้างขึ้นในสมัยกรุงรัตนโกสินทร์ตอนต้น
• พระพุทธรูปสมัยต่างๆ เช่น สมัยทวารวดี สมัยลพบุรี สมัยอยุธยา ซึ่งประดิษฐานอยู่ภายในระเบียงคตรอบองค์ปรางค์ และภายในพระอุโบสถ