ตั้งอยู่ในเขตชุมชนท่าเสา ตำบลท่าเสา อยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือของตัวเมืองอุตรดิตถ์ และอยู่ใกล้กับสถานีรถไฟท่าเสา วัดใหญ่ท่าเสาน่าจะสร้างขึ้นมาพร้อมกับชุมชนท่าเสาเมื่อราวสมัยกรุงศรีอยุธยาตอนปลาย เป็นอย่างน้อย ผู้คนในชุมชนท่าเสามีความหลากหลายทางชาติพันธุ์ เนื่องจากชุมชนท่าเสาเคยเป็น ชุมทางการค้าที่สำคัญในลุ่มน้ำน่าน จึงมีทั้งชาวไทย ชาวจีน ชาวไทยวน (ล้านนา) และชาวลาว เข้ามาตั้งถิ่นฐานและอยู่อาศัยสืบต่อกันมาอย่างยาวนาน ภายในวัดใหญ่ท่าเสามีโบราณสถานที่น่าสนใจ ได้แก่ โบสถ์ เป็นโบสถ์ขนาดเล็กมีลักษณะสถาปัตยกรรมแบบสมัยอยุธยาตอนปลาย บานประตูเป็นไม้แกะสลัก 2 บาน หน้าบันด้านหน้าเป็นไม้แกะสลักรูปเทพนมและลายไทย ส่วนหน้าบันด้านหลังเป็นไม้แกะสลัก พิพิธภัณฑ์วัดใหญ่ท่าเสา ภายในจัดแสดงโบราณวัตถุที่พบในบริเวณวัดใหญ่ท่าเสา ซึ่งมีโบราณวัตถุชิ้นสำคัญ ได้แก่ ยานมาศไม้แกะสลัก ยานมาศนี้เชื่อกันว่าเป็นยานมาศที่พระมหากษัตริย์แห่งกรุงศรีอยุธยาอุทิศถวายบูชาพระมหาธาตุเมืองฝางและอาจใช้เป็นยานมาศประจำตัวพระสังฆราชาเมืองสวางคบุรี (เมืองฝาง) ก็เป็นได้ พระแผง ส่วนใหญ่เป็นพระพุทธรูปขนาดเล็กที่ทำด้วยครั่ง นำมาติดเรียงกันบนแผงหรือแผ่นไม้แกะสลัก ในพิพิธภัณฑ์แห่งนี้เก็บรักษาและจัดแสดงพระแผงทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็กไว้มากกว่า 10 แผง กรอบพระแผงด้านบนส่วนใหญ่เป็นกรอบหรือซุ้มรูปแบบต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นซุ้มแผงรูปพญานาค ลายกนก และลายพุ่มข้าวบิณฑ์ ส่วนฐานหรือด้านล่างกรอบพระแผงมีการแกะสลักเป็นรูปหรือลวดลายที่งดงามมาก ทั้งรูปเทวดาร่ายรำ รูปยักษ์แบก รูปหม้อน้ำและรูปแจกัน ตู้และหีบพระธรรม ภายในพิพิธภัณฑ์แห่งนี้มีตู้และหีบพระธรรมกว่า 10 หลัง ซึ่งแต่ละหลังเขียนลายรดน้ำปิดทองและปิดทองล่องชาด ศิลปะอยุธยา ตอนปลาย รัตนโกสินทร์ตอนต้น แสดงเรื่องราวพุทธประวัติ รามเกียรติ์ ป่าหิมพานต์และรูปทวารบาล นอกจากนี้ ภายในพิพิธภัณฑ์ยังมีพระพุทธรูปไม้แกะสลักจำนวนมาก เนื่องจากว่าการสร้างพระพุทธไม้หรือพระเจ้าไม้เป็นวัฒนธรรมที่นิยมของชาวล้านนาและล้านช้าง จึงทำให้ที่วัดนี้ มีพระพุทธรูปไม้แกะสลักศิลปะฝีมือช่างท้องถิ่นจำนวนมาก นอกจากนี้มีพระพุทธรูปขนาดเล็กที่ทำด้วยครั่ง ฆ้องและระฆังเก่า ใบเสมาหินชนวน ไม้แกะสลักเป็นรูปพระอินทร์ทรงช้างเอราวัณ เครื่องสังคโลก เครื่องถ้วยลายครามและภาชนะทองเหลือง