เป็นพระอารามหลวงชั้นตรี ชนิดวรวิหาร ไม่ปรากฏหลักฐานแน่ชัดว่าสร้างในสมัยใด มีผู้สันนิษฐานว่าน่าจะสร้าง สมัยทวารวดี - สุโขทัย มีอายุราว 800 - 1,000 ปี โดยประมาณ เนื่องจากขุดพบซากอิฐสมัยทวารวดีอยู่เป็นจำนวนมาก มีผู้กล่าวว่าวัดมหาธาตุวรวิหารน่าจะเคยเป็นวัดที่เคยมีความเจริญรุ่งเรืองและเป็นพระอารามหลวงมาก่อน ต่อมาชำรุดทรุดโทรมลง จนถึงสมัยรัชกาลที่ 6 จึงได้รับพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ยกฐานะเป็นพระอารามหลวง เมื่อปี พ.ศ. 2459