ภายในวัดมีโบราณสถานโบราณวัตถุล้ำค่ามากมาย อาทิ พระพุทธชินราช เป็นพระพุทธรูปปางมารวิชัยขนาดใหญ่ หล่อด้วยทองสัมฤทธิ์ ขนาดหน้าตักกว้าง ๕ ศอก ๑ คืบ ๕ นิ้ว และสูง ๗ ศอก ได้รับการกล่าวขานว่าเป็นพระพุทธรูปที่มีพุทธลักษณะงดงามที่สุดในประเทศ เส้นรอบนอกพระวรกายอ่อนช้อย พระขนงโก่ง พระเกตุมาลาเป็นเปลวเพลิง พระหัตถ์มีปลายนิ้วทั้งสี่เสมอกัน ซึ่งเป็นลักษณะพิเศษเรียกว่า ทีฒงฺคุลี ซุ้มเรือนแก้วทำด้วยไม้แกะสลักสร้างในสมัยอยุธยา แกะสลักเป็นรูปมกร (ลำตัวคล้ายมังกร มีงวงคล้ายช้าง) อยู่ตรงปลายซุ้ม และตัวเหรา (คล้ายจระเข้) อยู่ตรงกลาง และมีเทพอสุราคอยปกป้ององค์พระอยู่ ๒ องค์ พระมหาธรรมราชาที่ ๑ (พญาลิไท) แห่งกรุงสุโขทัย โปรดให้สร้างขึ้นพร้อมกับพระพุทธชินสีห์และพระศรีศาสดา บานประตูประดับมุก ที่ทางเข้าพระวิหารด้านหน้า สร้างขึ้นเมื่อ พ.ศ. ๒๒๙๙ เป็นฝีมือช่างหลวงสมัยอยุธยาตอนปลาย ในรัชสมัยของสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวบรมโกศ ตรงกลางประตูมีสันอกเลาประดับลวดลายพุ่มข้าวบิณฑ์ สองข้างเป็นลายกนกก้านแย่ง ช่วงกลางอกเลามีรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน เรียกว่า “นมอกเลา” เป็นรูปบุษบก มีรูปพระอุณาโลมซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของพระพุทธองค์ประดิษฐานบนบัลลังก์อยู่ในบุษบก สองข้างเป็นรูปชุมสายซึ่งเป็นเครื่องสูงชนิดหนึ่ง เป็นรูปฉัตรสามชั้น ใต้ฐานบุษบกมีหนุมานแบกฐานไว้ ส่วนเชิงล่างของอกเลาทำเป็นรูปกุมภัณฑ์ยืนถือกระบองท่าสำแดงฤทธิ์ ส่วนลวดลายบานประตูเป็นลายกนกที่มีภาพสัตว์หิมพานต์ เช่น ราชสีห์ คชสีห์ เหมราช ครุฑ กินรีรำ และภาพสัตว์อื่น ๆ และยังมีลาย “อีแปะ” ด้านละ ๙ วงมัดนกหูช้างประกอบช่องไฟระหว่างวงกลม หรือวงกลมเป็นลายกรุยเชิง มีลายประจำยามก้ามปูประดับขอบรอบบานประตู เดิมบานประตูวิหารพระพุทธชินราชทำด้วยไม้สักแกะสลัก เมื่อทำบานประตูประดับมุกเสร็จแล้ว บานประตูเก่าได้นำไปประดับประตูวิหารพระแท่นศิลาอาสน์ จังหวัดอุตรดิตถ์ พระเหลือ พระยาลิไทรับสั่งให้ช่างนำเศษทองสัมฤทธิ์ที่เหลือจากการสร้างพระพุทธชินราช พระพุทธชินสีห์ และพระศรีศาสดา มารวมกันหล่อพระพุทธรูปปางมารวิชัยขนาดเล็ก และพระสาวกยืนอีก ๒ องค์ ส่วนอิฐที่ก่อเตาสำหรับหลอมทองได้นำมารวมกันบนฐานชุกชี พร้อมกับปลูกต้นมหาโพธิ์ ๓ ต้นบนชุกชี เรียกว่า โพธิ์สามเส้า ระหว่างต้นโพธิ์ได้สร้างวิหารน้อยขึ้นหนึ่งหลัง อัญเชิญพระเหลือกับพระสาวกไปประดิษฐาน เรียกว่า “วิหารพระเหลือ” วิหารพระเจ้าเข้านิพพาน หรือ วิหารแกลบ หรือ วิหารหลวงสามพี่น้อง ตั้งอยู่ทางด้านใต้ของพระวิหารพระศรีศาสดาราม ภายในวิหารมีพระพุทธรูปนั่งขนาดใหญ่ บริเวณกลางพระวิหารมี “หีบปางพระเจ้าเข้านิพพาน” มีลักษณะเป็นหีบบรรจุพระบรมศพทำด้วยศิลา ประดับด้วยลวดลายลงรักปิดกระจกสวยงาม โดยข้อพระบาทเลยออกมาเล็กน้อย ตั้งบนแท่นอันสลักลวดลายงดงาม รอบแท่นมีปัญจวัคคีย์ กำลังแสดงความทุกข์อาลัยพระองค์ ซึ่งนับได้ว่าเป็นโบราณวัตถุชิ้นสำคัญของวัดพระศรีรัตนมหาธาตุวรมหาวิหาร พระอัฏฐารศ เป็นพระพุทธรูปยืนปางห้ามญาติด้านหลังพระวิหาร สูง ๑๘ ศอก สร้างในสมัยเดียวกับพระพุทธชินราช ราว พ.ศ. ๑๘๐๐ เดิมประดิษฐานอยู่ในวิหารใหญ่แต่วิหารได้พังไปจนหมด เหลือเพียงเสาที่ก่อด้วยศิลาแลงขนาดใหญ่ ๓ ๔ ต้น เรียกว่า “เนินวิหารเก้าห้อง” อยู่ด้านหลังวิหารพระพุทธชินราช พระปรางค์ประธาน ศิลปสมัยอยุธยาตอนต้น ฐานเหลี่ยมย่อมุมไม้ยี่สิบ เดิมเป็นเจดีย์ทรงพุ่มข้าวบิณฑ์แบบสุโขทัยแท้ ต่อมาถูกแปลงให้เป็นพระปรางค์ในสมัยอยุธยา